Problemlösendes Lernen und Experimentieren in der ...geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/10703/pdf/PeterCarina_2014... · Carina Peter 2013. Dissertation zur Erlangung des Grades

Problemlösendes Lernen und Experimentieren

in der geographiedidaktischen Forschung

Eine Interventions- und Evaluationsstudie

zur naturwissenschaftlichen Kompetenzentwicklung

im Geographieunterricht

Carina Peter

2013

Dissertation

zur Erlangung des Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

eingereicht an der naturwissenschaftlichen Fakultät

der Justus-Liebig-Universität Gießen

Erstgutachter: Herr Prof. Dr. Dr. Johann-Bernhard Haversath Zweitgutachter: Herr Prof. Dr. Andreas Dittmann

Tag der Disputation 15.01.2014

„Das ganze Leben ist ein Experiment. Je mehr Experimente man unternimmt, desto besser.“

Ralph Waldo Emerson (Philosoph und Schriftsteller 1803 - 1882)

I ! !

!Inhaltsverzeichnis

!

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ................................................................................................ V

Tabellenverzeichnis .................................................................................................. VII

1 Einleitung ..............................................................................................................1

2 Theoretische Grundlagen und Forschungsstand .............................................4 2.1 Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung ...............................4

2.1.1 Naturwissenschaftliche Kompetenzen – Ausgangslage (Vergleichsstudien)..........4 2.1.2 Bildungsstandards und Erkenntnisgewinnung im Fach Geographie........................8

2.2 Problemlösendes Denken und Lernen .....................................................................10 2.2.1 Problemlösen ........................................................................................................10 2.2.2 Problemlösendes Lernen ......................................................................................12 2.2.3 Stand der Forschung: Problemlösendes Lernen....................................................18

2.3 Kompetenzmodelle .....................................................................................................20 2.3.1 Kompetenzentwicklungsmodell nach HAMMANN (2004) .........................................23 2.3.2 Naturwissenschaftliches Strukturmodell zur Erkenntisgewinnung nach MAYER

(2007).....................................................................................................................25 2.4 Experimentieren im Geographieunterricht...............................................................28

2.4.1 Kriterien eines geographischen Experiments.........................................................28 2.4.2 Experimenteller Algorithmus ..................................................................................29 2.4.3 Angeleitetes Experimentieren ................................................................................31 2.4.4 Offenes Experimentieren .......................................................................................32 2.4.5 Problemlösendes Lernen und Experimentieren .....................................................34

2.5 Stand der Forschung..................................................................................................36 2.5.1 Defizite beim Experimentieren ...............................................................................36 2.5.2 Offenes und angeleitetes Experimentieren ............................................................38 2.5.3 Alter ........................................................................................................................39

3 Forschungsfragen und Hypothesen.................................................................40

4 Forschungsdesign und Methoden....................................................................46 4.1 Pilotierungsstudie ......................................................................................................47

4.1.1 Entwicklung des Messinstruments .........................................................................48 4.1.2 Erprobung des Messinstruments ...........................................................................50

II ! !

!Inhaltsverzeichnis

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4.1.3 Gütekriterien...........................................................................................................54 4.1.3.1 Objektivität .......................................................................................................54 4.1.3.2 Itemschwierigkeit und Trennschärfe................................................................54 4.1.3.3 Reliabilität ........................................................................................................56 4.1.3.4 Validität ............................................................................................................57

4.2 Normierungsstudien...................................................................................................58 4.2.1 Stichprobe ..............................................................................................................58 4.2.2 Design ....................................................................................................................58

4.3 Interventionsstudie.....................................................................................................59 4.3.1 Stichprobe ..............................................................................................................59 4.3.2 Design ....................................................................................................................60 4.3.3 Messinstrument......................................................................................................62

4.4 Statistische Auswertungsverfahren .........................................................................63 4.5 Evaluationsstudie (Triangulation) .............................................................................65

4.5.1 Stichprobe ..............................................................................................................65 4.5.2 Design ....................................................................................................................65 4.5.3 Messinstrument......................................................................................................67 4.5.4 Gütekriterien...........................................................................................................70 4.5.5 Transkription ..........................................................................................................71 4.5.6 Kategorien, Codierung und Inter-Coder-Reliabilität ...............................................71

5 Darstellung der Unterrichtseinheit ...................................................................74 5.1 Versuchsgruppe .........................................................................................................74

5.1.1 Methodische Konzeption........................................................................................75 5.1.2 Konzeptioneller Überblick ......................................................................................76 5.1.3 Darstellung der Intervention ...................................................................................78 5.1.4 Offenes Experimentieren (Sequenz 10).................................................................85

5.2 Vergleichsgruppe .......................................................................................................88

6 Ergebnisse ..........................................................................................................90 6.1 Normierungsstudie ....................................................................................................90

6.1.1 Experimentierkompetenz im Klassenstufenvergleich.............................................90 6.1.2 Teilkompetenzen des Experimentierens im Klassenstufenvergleich .....................91 6.1.3 Teilkompetenzen des Experimentierens im Vergleich (Gesamtstichprobe)...........93 6.1.4 Fachwissen im Klassenstufenvergleich .................................................................94 6.1.5 Schulartenvergleich (Experimentierkompetenz und Fachwissen) .........................95 6.1.6 Geschlechterspezifische Effekte (Experimentierkompetenz und Fachwissen)......97

III ! !

!Inhaltsverzeichnis

!

6.1.7 Zusammenhang zwischen kognitiven Leistungsniveau,

Experimentierkompetenz und Fachwissen ............................................................97 6.1.8 Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissenstest .....................98

6.2 Kontrolle der Störvariablen (Interventionsstudie) ...................................................99 6.3 Interventionsstudie...................................................................................................104

6.3.1 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich der Experimentierkompetenzen

(Versuchs- und Vergleichsgruppe) ......................................................................105 6.3.2 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich der Teilkompetenzen des Experimentierens

(Versuchs- und Vergleichsgruppe) ......................................................................108 6.3.2.1 Teilkompetenz Fragestellung formulieren .....................................................108 6.3.2.2 Teilkompetenz Hypothesen generieren.........................................................110 6.3.2.3 Teilkompetenz Planung eines Experiments ..................................................111 6.3.2.4 Teilkompetenz Daten auswerten ...................................................................112

6.3.3 Effekt der Lernausgangslage auf den Lernzuwachs (Versuchsgruppe) ..............113 6.3.4 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich des Fachwissens (Versuchs- und

Vergleichsgruppe)................................................................................................113 6.3.5 Ergänzende Analyse: Pre-/Postvergleich des Zusammenhangs zwischen

Selbsteinschätzung und Vorwissen (Versuchsgruppe)........................................114 6.3.6 Ergänzende Analyse: Effekte des Lernzuwachses im Vergleich der

Teilkompetenzen (Versuchsgruppe) ....................................................................116 6.4 Evaluationsstudie – Triangulation zum offenen Experimentieren.......................118

6.4.1 Offenes Experimentieren und Kompetenzstufenniveau 4 (Triangulation)............118 6.4.1.1 Teilkompetenz Fragestellung formulieren .....................................................119 6.4.1.2 Teilkompetenz Hypothesen generieren.........................................................119 6.4.1.3 Teilkompetenz Planung eines Experiments ..................................................120 6.4.1.4 Teilkompetenz Daten auswerten ...................................................................121 6.4.1.5 Zusammenfassung ........................................................................................121

6.4.2 Offenes Experimentieren und Problembereiche ..................................................122 6.4.2.1 Teilkompetenz Fragestellung formulieren .....................................................123 6.4.2.2 Teilkompetenz Hypothesen generieren.........................................................123 6.4.2.3 Teilkompetenz Planung eines Experiments ..................................................124 6.4.2.4 Teilkompetenz Daten auswerten ...................................................................126

7 Diskussion.........................................................................................................129

7.1 Normierungsstudie...................................................................................................129 7.1.1 Experimentierkompetenz .....................................................................................129 7.1.2 Fachwissen ..........................................................................................................132

IV ! !

!Inhaltsverzeichnis

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7.1.3 Korrelation der Schulnoten, Experimentierkompetenz und Fachwissen..............133 7.1.4 Korrelation der Selbsteinschätzung und des Vorwissenstests.............................133

7.2 Kontrolle der Störvariablen (Interventionsstudie) .................................................135 7.3 Interventionsstudie...................................................................................................136

7.3.1 Entwicklung der Experimentierkompetenz (Pretest-/Posttest-Vergleich).............137 7.3.2 Langzeiteffekt Experimentierkompetenz (Pretest-/Follow-Up-Vergleich).............139 7.3.3 Entwicklung der Teilkompetenzen des Experimentierens (Pretest-/Posttest-

Vergleich).............................................................................................................140 7.3.4 Langzeiteffekt der Kompetenzentwicklung der Teilkompetenzen des

Experimentierens (Pretest-/Follow-Up-Vergleich)................................................144 7.3.5 Effekt der Lernausgangslage auf den Lernzuwachs (Versuchsgruppe) ..............146 7.3.6 Entwicklung des Fachwissens .............................................................................148 7.3.7 Ergänzende Analyse: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und

Vorwissen (Versuchsgruppe)...............................................................................149 7.3.8 Ergänzende Analyse: Effekte des Kompetenzzuwachses im Vergleich der

Teilkompetenzen (Versuchsgruppe) ....................................................................150 7.4 Evaluationsstudie – Triangulation zum offenen Experimentieren.......................151

7.4.1 Inter-Coder-Reliabilität .........................................................................................152 7.4.2 Offenes Experimentieren und Kompetenzstufenniveau 4....................................153 7.4.2 Offenes Experimentieren und Problembereiche ..................................................156

7.5 Diskussion der Methode ..........................................................................................160

8 Konsequenzen für die Unterrichtspraxis .......................................................162

9 Fazit und Ausblick............................................................................................164

10 Literaturverzeichnis .........................................................................................167

11 Anhang............................................................................................................ 181

I Messinstrument (Normierungs- und Interventionsstudie)................................181

II Unterrichtseinheit (Versuchsgruppe)...............................................................197

III Protokollausschnitte (Evaluationsstudie) ........................................................223

IV Codieranleitung (Evaluationsstudie) ...............................................................228

V Codierung der Protokollausschnitte (Evaluationsstudie) ................................229

12 Versicherung.................................................................................................... 249 13 Danksagung......................................................................................................250

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V ! !

!Abbildungsverzeichnis

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: PISA-Erhebungen 2000-2012 (verändert nach IPN 2011)................................5!

Abbildung 2: Prinzipien des problemlösenden Lernens (nach MANDL 2003, S. 10;

MAYER, ZIEMEK 2006, S. 7; RINSCHEDE 2007, S. 67;

HASSELHORN, GOLD 2009, S. 262 ff.) ...................................................................16!

Abbildung 3: Strukturmodell zum wissenschaftlichen Denken (scientific reasoning)

(MAYER 2007, S. 181)...........................................................................................26!

Abbildung 4: Phasen und Arbeitsschritte des Experimentierens im Geographieunterricht

(verändert nach OTTO ET AL. 2011, S. 107; MÖNTER, HOF 2012, S. 297) ............29!

Abbildung 5: Grad der Hilfestellung durch Lehrerinnen und Lehrer bzw. Grad der

Eigenverantwortlichkeit der Schülerinnen und Schüler beim angeleiteten und

offenen Experimentieren (verändert nach OTTO ET AL. 2011, S. 105;

MÖNTER und HOF 2012, S. 305) ..........................................................................32!

Abbildung 6: Die Dimensionierung und Graduierung des offenen Experimentierens im

Überblick (PRIEMER 2011, S. 325) .......................................................................33!

Abbildung 7: Forschungsdesign ...........................................................................................46!

Abbildung 8: Sequential explanatory design (verändert nach TASHAKKORI,

TEDDLIE 2003, S. 225) .........................................................................................46!

Abbildung 9: Schematische Darstellung des Messinstruments (Interventionsstudie) ..........63!

Abbildung 10: Fragestellung formulieren (Sequenz 2) ...........................................................79!

Abbildung 11: Fragestellung formulieren (Sequenz 4)

(verändert nach PETER, HOF 2011, S. 45) ...........................................................80!

Abbildung 12: Hilfekarte Fragestellung formulieren (Sequenz 4)...........................................81!

Abbildung 13: Planung eines Experiments (Sequenz 5) ........................................................82!

Abbildung 14: Hypothesenüberprüfung (Sequenz 6) .............................................................83!

Abbildung 15: Salzgehalt der Ostsee (Sequenz 10) ..............................................................85!

Abbildung 16: Öffnungsgrad der Unterrichtseinheit

(verändert nach PRIEMER 2011, S. 325) ..............................................................87!

Abbildung 17: Kompetenzgrad der Methode des Experimentierens

(Klassenstufen 5 bis 9) (MW + 1 SD) ..................................................................91!

Abbildung 18: Kompetenzgrad der Teilkompetenzen der Methode des Experimentierens

(Klassenstufen 5 bis 9) ........................................................................................92!

Abbildung 19: Vergleich der Teilkompetenzen (MW + 1 SD) .................................................94!

Abbildung 20: Kompetenzgrad des Fachwissenstest (Klassenstufen 5 bis 9)

(MW + 1 SD) ........................................................................................................94!

VI ! !

!Abbildungsverzeichnis

!

Abbildung 21: Experimentierkompetenz und Fachwissen im Schulformvergleich

(Klassenstufen 5-7) (MW + 1 SD)........................................................................96!

Abbildung 22: Experimentierkompetenz und Fachwissen im Geschlechtervergleich

(MW + 1 SD) ........................................................................................................97!

Abbildung 23: Kontrolle der Störvariable Treatmentgruppen (MW + 1 SD) .........................101!

Abbildung 24: Kontrolle der Störvariable Schulart (MW + 1 SD)..........................................102!

Abbildung 25: Kontrolle der Störvariable Lehrkraft...............................................................103!

Abbildung 26: Messwiederholung der Experimentierkompetenz im Gruppenvergleich

(Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich) .......................................................................106!

Abbildung 27: Messwiederholung der Experimentierkompetenz im Klassenvergleich


Abbildung 28: Messwiederholung der Teilkompetenz Fragestellung formulieren im

Gruppenvergleich (Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich)..........................................108!

Abbildung 29: Messwiederholung der Teilkompetenz Hypothesen formulieren im


Abbildung 30: Messwiederholung der Teilkompetenz Experiment planen im


Abbildung 31: Messwiederholung der Teilkompetenz Daten auswerten im


Abbildung 32: Messwiederholung des Fachwissens im Gruppenvergleich


Abbildung 33: Lernzuwachs T1 zu T2 ..................................................................................117!

Abbildung 34: Lernzuwachs T1 zu T3 ..................................................................................117!

Abbildung 35: Kompetenzeinstufungen im offenen Experimentierprozess

(Evaluationsstudie) ............................................................................................122!

! VII!

!Tabellenverzeichnis

!

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Ergebnisse der naturwissenschaftlichen Kompetenz deutscher

Schülerinnen und Schüler (PISA) ..........................................................................6!

Tabelle 2: Problemlösendes Lernen und fragend-gelenkter Unterricht................................17!

Tabelle 3: Übersicht der Theoriemodelle zur Kompetenzentwicklung des

Experimentierens/Erkenntnisgewinnung (verändert nach OTTO ET AL. 2010,

S. 142) .................................................................................................................21!

Tabelle 4: Kompetenzstufen bei der Suche im Hypothesen-Suchraum (HAMMANN 2004,

S. 200) .................................................................................................................24!

Tabelle 5: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier-Suchraum

(HAMMANN 2004, S. 200) ...................................................................................24!

Tabelle 6: Kompetenzstufen bei der Analyse von Daten (HAMMANN 2004, S. 200) .............24!

Tabelle 7: Grade der Schülerselbstständigkeit beim experimentellen Lernen

(WILHELMI 2012, S. 6 verändert nach MAYER, ZIEMEK 2006, S. 9).......................31!

Tabelle 8: Problemorientiertes Lernen und angeleitetes Experimentieren...........................35!

Tabelle 9: Problemorientiertes Lernen und offenes Experimentieren ..................................36!

Tabelle 10: Überblick der Pilotierungsphase zur Testinstrumententwicklung ........................50!

Tabelle 11: Aufbau und Inhalt des paper-and-pencil-tests (Testkonstruktion) .......................53!

Tabelle 12: Itemschwierigkeit und Trennschärfe ....................................................................55!

Tabelle 13: Reliabilität der einzelnen Skalen (Cronbachs α) .................................................56!

Tabelle 14: Übersicht der Stichprobe der Interventionsstudie................................................60!

Tabelle 15: Design der Interventionsstudie ............................................................................61!

Tabelle 16: Kompetenzstufenmodell und Evaluationsmatrix der qualitativen Studie

(verändert nach HAMMANN 2004).........................................................................69!

Tabelle 17: Übersicht der Zuordnungscodes der Protokolle ..................................................71!

Tabelle 18: Codebeispiel ........................................................................................................72!

Tabelle 19: Übersicht der Kategoriensysteme .......................................................................72!

Tabelle 20: Inter-Coder-Reliabilität (Holsti) ............................................................................73!

Tabelle 21: Konzeption der Intervention (Versuchsgruppe) ...................................................77!

Tabelle 22: Konzeption des problemlösenden Lernens und Grad der Offenheit des

Experimentierens in Sequenz 10 .........................................................................88!

Tabelle 23: Konzeption der Unterrichtseinheit (Vergleichsgruppe) ........................................89!

Tabelle 24: Kompetenzgrad der Teilkompetenzen des Experimentierens

(Klassenstufen 5 bis 9) mit N, Median und Quartile ............................................93!

Tabelle 25: Korrelationen nach Spearman zwischen Methoden- und Fachkompetenz

sowie Zeugnisnoten .............................................................................................98!

! VIII!

!Tabellenverzeichnis

!

Tabelle 26: Kreuztabelle zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissenstest ........................99!

Tabelle 27: Eingangsvoraussetzungen der Interventionsstudie...........................................100!

Tabelle 28: Ergebnisse des T-Tests im Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich

(Experimentierkompetenz).................................................................................105!

Tabelle 29: Korrelation zwischen Ausgangslage der Versuchsgruppe und

Lernzuwachs nach Kendall Tau b......................................................................113!

Tabelle 30: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (Pretest) .........115!

Tabelle 31: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (Posttest)........116!

Tabelle 32: Überblick der Ergebnisse ..................................................................................159!

1

1 Einleitung

1 Einleitung

Im Zuge der mittelmäßigen Ergebnisse deutscher Schülerinnen und Schüler der Erhebung

PISA-2000 erfolgte ein Paradigmenwechsel von der Lernzielorientierung hin zum kompe-

tenzorientierten Unterricht. Eine Möglichkeit, eine verstärkte Kompetenzorientierung im Un-

terricht umzusetzen, stellt die Problemorientierung oder das problemorientierte Lernen dar.

Die verstärkte Problemorientierung wird in der naturwissenschaftlichen Grundbildung gefor-

dert, um ein systematisches Verständnis von Denk- und Arbeitsweisen zu erreichen, aus

Belegen Schlussfolgerungen ziehen und Entscheidungen verstehen und treffen zu können

(OECD 1999, S. 60). Der Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung/Methode wurde auch in

den geographischen Bildungsstandards formuliert mit dem Ziel, Kompetenz für lebenslanges

Lernen zu generieren (DGFG 2007, S. 18).

Die Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung stehen seit Jahren im Fokus der Lehr- und Lern-

forschung. Neben den internationalen Vergleichsstudien wie PISA (DEUTSCHES PISA-

KONSORTIUM 2001; DEUTSCHES PISA-KONSORTIUM 2004; DEUTSCHES PISA-KONSORTIUM

2007, OECD 2010) liegen insbesondere Erkenntnisse aus den Fachdisziplinen der Didakti-

ken der Naturwissenschaften (z. B. HAMMANN 2004; MAYER 2007; EHMER 2008; GRUBE

2010; HOF 2011) sowie der Lehr- und Lernforschung der pädagogischen Psychologie (z. B.

DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998; CHEN, KLAHR 1999) vor. Die Methoden bzw. Teilkompeten-

zen des Experimentierens werden oftmals als geeignet identifiziert, die Erkenntnisgewinnung

durch naturwissenschaftliches, systematisches Vorgehen fördern zu können. So nimmt die

Methode des Experimentierens in den Naturwissenschaften eine zentrale Rolle sowohl in

den naturwissenschaftsdidaktischen Forschungsbereichen als auch in der Unterrichtspraxis

ein.

Die Geographie nimmt als Schulfach und Schnittstelle der Natur- und Gesellschaftswissen-

schaften eine besondere Stellung ein und verfolgt das Ziel, bei den Schülerinnen und Schü-

lern „ein Verständnis natürlicher und sozialer Zusammenhänge“ (DGFG 2010, S. 8) zu bil-

den. Gerade das Experiment als naturwissenschaftliche Methode bietet die Chance, der

Forderung einer stärkeren Problemorientierung und methodisch fundierten Erkenntnisgewin-

nung im Geographieunterricht gerecht zu werden. Zum einen wird die Brücke geschlagen,

die Teildisziplinen der Geographie zu verbinden, indem gesellschaftsrelevante Probleme mit

der naturwissenschaftlichen Methode erarbeitet werden (OTTO ET AL. 2010, S. 142 f.;

MÖNTER, HOF 2012, S, 292 f.). Zum anderen werden den Lernenden Möglichkeiten aufge-

zeigt, Problemlösungsstrategien für geographierelevante Fragestellungen zu konstruieren.

Jedoch kommt der Experimentiermethode im Geographieunterricht bislang eine eher unter-

geordnete Bedeutung in der Unterrichtspraxis zu (HEMMER, HEMMER 2010, S. 65 ff.). Zudem

2

1 Einleitung

ist sie durch unklare begriffliche Verwendungen gekennzeichnet und erst in Ansätzen in die

kompetenzorientierte geographiedidaktische Forschung eingebunden. Die verstärkte Zu-

wendung der Geographiedidaktik zur Erkenntnisgewinnung durch die Methode des Experi-

mentierens, die in verschiedenen fachdidaktischen Publikationen zum Tragen kommt (z. B.

LETHMATE 2006; OTTO 2009; OTTO, MÖNTER 2009; OTTO ET AL. 2010; MÖNTER, HOF 2012),

verdeutlicht den hohen Stellenwert der Methode auch aus geographiedidaktischer Perspekti-

ve. Das Experiment, als elementare naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise, stellt

zudem laut Interessensstudie die beliebteste Arbeitsweise der Schülerinnen und Schülerin-

nen im Geographieunterricht dar (HEMMER, HEMMER 2010, S. 65 ff.), so dass nicht nur auf

Grundlage der Fachrelevanz, sondern auch gestützt auf die Interessen der Lernenden die

Notwendigkeit besteht, die Methode näher zu untersuchen.

Die Förderung naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung muss Ziel des Geographieun-

terrichts sein. Somit steht im Mittelpunkt der Forschungsarbeit die empirische Erhebung der

Experimentierkompetenz durch problemlösendes Lernen im Geographieunterricht mit an-

schließender adäquater Förderung (Intervention) und Evaluation.

Die Ausgangslage wird im zweiten Kapitel vorgestellt und basiert auf den Erkenntnissen na-

turwissenschaftlicher Kompetenzen der internationalen Vergleichsstudien sowie den geogra-

phischen Bildungsstandards. Zudem wird der Ansatz des Problemlösens bzw. problemlö-

senden Lernens aus verschiedenen fachwissenschaftlichen Perspektiven analysiert. Insbe-

sondere Erkenntnisse der pädagogischen Psychologie, der Erziehungswissenschaft, der

Didaktiken der Naturwissenschaften sowie der Geographiedidaktik lassen vielfältige Aspekte

und Elemente des Ansatzes erkennen. Der Aufarbeitung des geographischen Experiments

kommt außerdem eine zentrale Bedeutung zu, da in der didaktischen Fachliteratur kontro-

verse Verwendungen vorliegen und fundierte Definitionen im Zuge jüngerer Publikationen an

Bedeutung gewinnen (OTTO 2009; OTTO, MÖNTER 2009; MÖNTER, HOF 2012). Noch beste-

hende Lücken der methodischen Darstellung werden auf Grundlage der naturwissenschaftli-

chen Didaktiken geschlossen und durch Kompetenztheorien sowie bestehende Forschungs-

erkenntnisse ergänzt.

Im dritten Kapitel werden die zentralen Fragestellungen und Hypothesen der vorliegenden

Forschungsarbeit auf Basis der theoretischen Grundlage abgeleitet, so dass im vierten Kapi-

tel das Forschungsdesign und die Methoden aufgeführt werden. Bestehend aus drei Teilstu-

dien (Normierungsstudie, Interventionsstudie und Evaluationsstudie), bildet die Interventi-

onsstudie, basierend auf einem Zweigruppenplan mit Versuchs- und Vergleichsgruppen im

Längsschnitt mit drei Messzeitpunkten, den Kern der vorliegenden Forschungsarbeit. Die

Analyse der Leistungsentwicklung und damit einhergehend die Effektivität der Intervention

wird evaluiert. Detaillierte Erkenntnisse und Probleme der praktischen Experimentierkompe-

3

1 Einleitung

tenz werden durch eine qualitative Analyse ergänzend erhoben. Die Interventionseinheit wird

anschließend im fünften Kapitel abgeleitet und dargestellt.

Die Ergebnisdarstellung erfolgt im sechsten Kapitel entsprechend der Konzeption in einer

dreigeteilten Gliederung von der Normierungsstudie zur Interventionsstudie und anschlie-

ßenden Evaluationsstudie und wird durch zusätzliche Analysen (z. B. Störvariablen, Selbst-

einschätzung) ergänzt, so dass im siebten Kapitel eine auf den Ergebnissen begründete Dis-

kussion der Fragestellungen und Hypothesen folgt.

Abschließend werden Konsequenzen für die Unterrichtspraxis aufgezeigt und ein Fazit for-

muliert.

4

2 Theoretische Grundlagen und Forschungsstand


2.1 Kompetenzen naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung

WEINERT (2001) definiert Kompetenzen als „die bei Individuen verfügbaren oder durch sie

erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, so-

wie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fä-

higkeiten, um die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungs-

voll nutzen zu können“ (WEINERT 2001, S. 28). WEINERT (2001) erklärt den Leistungsstand

als Kompetenz, die in drei Arten differenziert werden kann: a) fachliche Kompetenz (geogra-

phische Aspekte), b) fachübergreifende Kompetenzen (z. B. Teamarbeit, Problemlösestrate-

gien), c) Handlungsorientierung (motivationale, volitionale und soziale Bereitschaften und

Fähigkeiten). Um inhaltlich Phänomene und Probleme verstehen zu können, darf nach

WEINERT (2001) die Bedeutung der Fachkompetenz nicht zu Gunsten der fachübergreifen-

den Kompetenzen verringert werden. Um die im Kompetenzbegriff geforderte Problemlöse-

fähigkeit bei den Schülerinnen und Schülern entwickeln zu können, müssen somit alle drei

Kompetenzarten gleichwertig gefördert werden.

WEINERT (2001) fordert nicht nur die Leistungserhebung, sondern insbesondere die Überprü-

fung der Lernentwicklung bei Veränderung der Bedingungen (z.B. Intervention) auf nationa-

ler und regionaler Ebene hinsichtlich fachlicher und überfachlicher Kompetenzen (WEINERT

2001, S. 30). Demnach wird in der vorliegenden Arbeit die Lernentwicklung anhand einer

Intervention evaluiert. Dabei werden die Kompetenzen auf fachgeographischer Ebene mit

dem Kontext – Süßwasser- und Salzwasserphänomene/-probleme an ausgewählten Raum-

beispielen – sowie der Methode des Experimentierens festgelegt und die fachübergreifenden

Kompetenzen hinsichtlich der Entwicklung von Problemlösestrategien definiert. Grundlagen

dafür bilden wiederum geographiedidaktische Strategien der Erkenntnisgewinnung.

Anstoß der intensiven Auseinandersetzung mit den Kompetenzen sowie der resultierenden

Kompetenzentwicklungen des letzten Jahrzehntes waren u. a. Ergebnisse der Vergleichs-

studien TIMSS und PISA, die zu grundlegenden Veränderungen der Unterrichtsqualität in

Deutschland führten. Die Studien werden im Folgenden vorgestellt, der Schwerpunkt liegt

auf den PISA-Erhebungen .

2.1.1 Naturwissenschaftliche Kompetenzen – Ausgangslage (Vergleichsstudien)

Die Ergebnisse der TIMSS-Studie aus dem Jahr 1997 verdeutlichten, dass die deutschen

Schülerinnen und Schüler starke Defizite im konzeptionellen Verständnis sowie dem Ver-

ständnis naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen aufweisen. Etwa 25% der Probanden errei-

chen die niedrigste Kompetenzstufe (BAUMERT ET AL. 1997). Diese Befunde werden durch

5


die ersten Ergebnisse der PISA-Studie bestätigt. PISA, ein Projekt der OECD zur Erhebung

internationaler Schulleistungen, untersucht seit dem Jahr 2000 in einem dreijährigen Turnus

Leistungsdaten von 15-jährigen Schülerinnen und Schülern. Der Schwerpunkt der Erhebun-

gen variiert zwischen a) Lesekompetenz, b) Mathematik und c) Naturwissenschaften (s. Abb.

1).

Abbildung 1: PISA-Erhebungen 2000-2012 (verändert nach IPN 2011)

Die Abbildung verdeutlicht, dass im dreijährigen Turnus der Schwerpunkt der Studie wech-

selt, jedoch zugleich immer die naturwissenschaftlichen Kompetenzen erhoben wurden. Da-

bei wird der Untersuchungsansatz der naturwissenschaftlichen Grundbildung im Jahr 2000

und 2003 durch drei Schwerpunkte gebildet: a) naturwissenschaftliche Grundbildung, b) na-

turwissenschaftliche Konzepte und c) Anwendungsbereiche. Die 2006 durchgeführte PISA-

Studie stellt einen naturwissenschaftlichen Schwerpunkt dar. Die naturwissenschaftliche

Grundbildung sowie die Entwicklung der Erhebungsinstrumente umschließen 2006 im Ge-

gensatz zu den vorausgegangenen Erhebungen vier Aspekte. Eine Erweiterung zum Unter-

suchungsaspekt Einstellungen gegenüber den Naturwissenschaften erfolgt (OECD 2007, S.

22 f.). Dabei fokussiert die Studie insbesondere „die Fähigkeit der Jugendlichen, ihre Kennt-

nisse und Fertigkeiten zur Bewältigung alltäglicher Herausforderungen“ (OECD 2007, S. 18)

umzusetzen. Es werden naturwissenschaftliche Kenntnisse und Fähigkeiten sowie Einstel-

lungen der Schülerinnen und Schüler zu den Naturwissenschaften erhoben. Basierend auf

dem Konzept der Grundbildung (literacy), sind hierbei Anwendung von Gelerntem auf neue

Aufgabenfelder, Analysefähigkeit, logisches Denkvermögen und Kommunikation gemeint.

Jahr!!• Erhebungsbereich!(Schwerpunkt)!

2000!

• Lesekompetenz!• Mathema-k!

• Naturwissenscha6en!

2003!

• Lesekompetenz!

• Mathema:k!• Naturwissenscha6en!

2006!


• Mathema-k!

• Naturwissenscha<en!

2009!

• Lesekompetenz!• Mathema-k!

• Naturwissenscha6en!

2012!


• Mathema:k!• Naturwissenscha6en!

Jahr!!• Selbsteinschätzung!

2000!

• Lernansätze!• Leseengagement!

2003!

• Lernansätze!• Einstellung!zur!Mathema-k!

2006!

• Lernansätze!• Einstellung!zu!den!Natruwissenscha6en!

2009!

• Lernansätze!• Leseengagement!

2012!

• Lernansätze!• Einstellung!zur!Mathema-k!

6


Die Schülerinnen und Schüler beantworteten in den jeweiligen Studien innerhalb eines Zeit-

rahmens von zwei Stunden einen pen-and-pencil-test, der die Aspekte Wissen, Kompeten-

zen, Kenntnisse und Fertigkeiten umfasst. Hinsichtlich des Kompetenzbereichs der naturwis-

senschaftlichen Erkenntnisgewinnung werden drei Teilkompetenzen differenziert: a) Natur-

wissenschaftliche Fragestellung erkennen und formulieren, b) naturwissenschaftliche Phä-

nomene beschreiben und erklären sowie c) naturwissenschaftliche Evidenzen interpretieren

und nutzen (IPN 2012). Nach den PISA-Ergebnissen des Jahres 2000, in der deutsche

Schülerinnen und Schüler unterdurchschnittliche Kompetenzen erzielen, wird in den folgen-

den Erhebungsphasen eine Kompetenzsteigerung deutlich. So erreichen die Schülerinnen

und Schüler 2006 einen signifikant höheren Mittelwert (516 Punkte) im Vergleich zum

OECD-Durchschnitt (500 Punkte) (s. Tab. 1).

Tabelle 1: Ergebnisse der naturwissenschaftlichen Kompetenz deutscher Schülerinnen und

Schüler (PISA)

Erhebungsjahr Durchschnitt der deutschen Schülerinnen und Schüler

2000 487 Punkte

2003 502 Punkte

2006 516 Punkte

2009 520 Punkte

Der OECD-Durchschnitt liegt bei 500 Punkten. Eine positive Entwicklung der deutschen

Schülerinnen und Schüler von einem unterdurchschnittlichen Kompetenzstand im Jahr 2000

zu einem signifikant überdurchschnittlichen Grad im Jahr 2009 wird deutlich (PISA-

KONSORTIUM 2000; PISA-KONSORTIUM 2003; PISA-KONSORTIUM 2006; PISA-KONSORTIUM

2009).

Ergänzt wird die Erhebung der naturwissenschaftlichen Kompetenzen durch einen auf 30

Minuten angelegten Fragebogen zur Selbsteinschätzung (Untersuchungsaspekt 4 – Einstel-

lung), der ebenfalls entsprechend der Erhebungsbereiche variierte und im Erhebungsjahr

2006 primär Einstellungen, Engagement und Motivation der Schülerinnen und Schüler zu

den Naturwissenschaften umfasst (OECD 2007, S. 21). Als Ergebnis wird beschrieben, dass

ein hoher Anteil der hochkompetenten Schülerinnen und Schüler (44 %) zugleich kein hohes

Interesse an Naturwissenschaften aufweist (PRENZEL ET AL. 2006, S. 7).

ARTELT ET. AL (2001) benennen als Schlussfolgerung der PISA-Ergebnisse 2000 den gesell-

schaftlich niedrig angesehenen Stellenwert der Naturwissenschaften, verbunden mit einer

geringeren Wertschätzung der Nebenfächer. Weiterhin wird die zu geringe Berücksichtigung

7


der Problemorientierung sowie naturwissenschaftlicher Denk- und Arbeitsweisen im Unter-

richt als Ursache aufgeführt.

Die positive Entwicklung der deutschen Schülerinnen und Schüler, die sich ab dem Jahr

2003 und verstärkt ab 2006 abzeichnet, wird auf die Verbesserung der Unterrichtsqualität im

Zuge gesteigerter Problem- und Anwendungsorientierung sowie verbesserter Schülerexpe-

rimente zurückgeführt. Zugleich wird aber deutlich, dass ein höheres Niveau erreicht werden

kann und die positiven Entwicklungen der letzten Jahre nicht zum Ausruhen auffordern darf,

insbesondere im Hinblick auf die zugleich negativen Ergebnisse der Studien, wonach fast 15

% der Schülerinnen und Schüler in den Jahren 2006 und 2009 über nahezu keine naturwis-

senschaftliche Kompetenz verfügen (KLIEME ET. AL 2010, S. 194). Dabei nehmen die ver-

schiedenen Bildungsgänge eine beträchtliche Funktion ein, die durch die starke Streuung der

Ergebnisse deutlich wird. Gerade in den Schularten der Hauptschule, aber auch verstärkt in

Realschulen sowie integrierten Gesamtschulen verfügen Jugendliche teilweise nur über ge-

ringe naturwissenschaftliche Kompetenzen (KLIEME ET. AL 2010, S. 189 f.). Hinsichtlich des

Einflusses der Schulart wird ein unterschiedlicher Kompetenzstand ermittelt. Schülerinnen

und Schüler der Gymnasien liegen in der Erhebung 2006 im Durchschnitt deutlich über dem

Basisniveau der ersten Kompetenzstufe. Probanden der Realschulen befinden sich hingegen

mit 5,2 % unterhalb oder auf der ersten Kompetenzstufe, Schülerinnen und Schüler der inte-

grierten Gesamtschulen mit 22,2 % und Lernende der Hauptschulen mit 39,6 % unterhalb

des Basisniveaus (PRENZEL ET AL. 2006, S. 6). In der Erhebung 2009 werden vergleichbare

Ergebnisse aufgezeigt. Die höchsten Werte (602 Punkten) erreichen die Schülerinnen und

Schüler im Bildungsgang Gymnasium, die niedrigsten (431 Punkten) werden im Bildungs-

gang Hauptschule erzielt. Die Differenz zwischen den Ergebnissen der Schülerinnen und

Schüler des Gymnasiums und denen der Hauptschule liegt bei 171 Punkten und einer sehr

großen Effektgröße (d = 2.40). Der Unterschied zwischen beiden Bildungsgängen entspricht

drei Kompetenzstufen. Zwischen Gymnasium und Realschule beträgt der Unterschied 81

Punkte (Effektgröße d = 1.17). Dies entspricht etwa einer Kompetenzstufe. Die meisten

Schülerinnen und Schüler der Hauptschule werden der Kompetenzstufe II und die der Real-

schule und integrierten Gesamtschule der Kompetenzstufe III zugeordnet (PISA-

KONSORTIUM 2000; PISA-KONSORTIUM 2003; PISA-KONSORTIUM 2006; PISA-KONSORTIUM

2009; KLIEME ET. AL 2010, S. 189 f). Studien zur naturwissenschaftlichen Kompetenz zeigen

ähnliche Befunde. So belegt GRUBE (2010) verstärkt bei Schülerinnen und Schülern des

Gymnasiums, aber auch bei Lernenden der Realschule positive Entwicklungen im wissen-

schaftlichen Denken, wohingegen Hauptschüler stagnierende Entwicklungen verzeichnen

(GRUBE 2010, S. 82). In der Normierungsstudie von HOF (2011) zeigen Realschüler gegen-

8


über Schülerinnen und Schülern des Gymnasiums ein geringeres Kompetenzniveau in der

Experimentierkompetenz (HOF 2011, S. 94).

Zusammenfassend wird festgehalten, dass deutsche Schülerinnen und Schüler in der PISA-

Studie 2000 unterdurchschnittliche Ergebnisse in den naturwissenschaftlichen Kompetenzen

erreichten. Resultierende Veränderungen der Unterrichtsqualität zu einer verstärkten Pro-

blem- und Anwendungsorientierung werden u. a. als Gründe für die positiven Entwicklungen

der Folgeerhebungen 2003 bis 2009 aufgeführt. Dennoch treten deutliche Streuungen der

Ergebnisse auf, die Schülerinnen und Schülern der Hauptschule sowie tendenziell der Real-

schule und integrierten Gesamtschule weiterhin geringere naturwissenschaftliche Kompe-

tenzen zusprechen. Eine gezielte Förderung dieser Schülerinnen und Schüler ist notwendig,

um den Lernenden eine günstigere „Prognose für ihre weitere Ausbildungs- und Berufslauf-

bahn“ (KLIEME ET. AL 2010, S. 191) zu ermöglichen.

2.1.2 Bildungsstandards und Erkenntnisgewinnung im Fach Geographie

Ende der 1990er Jahre vollzog sich ein Paradigmenwechsel in der Bildungspolitik von der

Input-Orientierung zur Output-Orientierung. Grundlagen waren die Ergebnisse der internatio-

nalen Vergleichsstudien wie TIMSS und PISA, orientiert an den Erfahrungen anderer Länder.

Bildungsstandards wurden zunächst für die Fächer Deutsch, Mathematik, erste Fremdspra-

che sowie die Fächer der Naturwissenschaften (Biologie, Chemie und Physik) festgelegt und

stellen seit 2004/05 verbindliche Referenzrahmen dar. Da eine Ausweitung der Entwicklung

von Bildungsstandards für weitere Fächer unterstützt durch die Kultusministerkonferenz auf-

grund des finanziellen Aufwandes nicht erfolgen sollte, wurde 2005 eine Arbeitsgruppe auf

Initiative des Hochschulverbands für Geographiedidaktik (HGD) gebildet, die die Erarbeitung

Nationaler Bildungsstandards für das Fach übernahm. Die entwickelten Bildungsstandards

für den mittleren Schulabschluss im Fach Geographie wurden 2005 vom Präsidium der

DGfG und im Jahr 2006 vom Verband Deutscher Schulgeographen (VDSG) verabschiedet

und in der ersten Auflage 2007 veröffentlicht (HEMMER, HEMMER 2007, S. 1 f).

Die Forderung, dass Schülerinnen und Schüler zukünftig ihre Fähigkeiten, Fertigkeiten und

ihr Können in alltäglichen Situationen anwenden und einsetzen können, spiegelt sich in den

Bildungsstandards wider. Es steht nicht länger nur die reine Wissenswiedergabe im Fokus,

sondern die konkrete Fähigkeit, Gelerntes anzuwenden. Kumulatives Lernen (Output-

Orientierung) soll die zielgerichtete Strukturierung (Input-Orientierung) langfristig ersetzen

(DGFG 2007, S.2).

Die nationalen Bildungsstandards legen fest, „über welche Kompetenzen ein Schüler am

Ende der Sekundarstufe I bzw. beim Übergang in eine andere Schulform verfügen soll“

9


(HEMMER, HEMMER 2007, S. 3). Hinsichtlich der Annahme, Fähigkeiten an Kompetenzen de-

finieren zu können, formulieren die Bildungsstandards konkrete Kompetenzen innerhalb ver-

schiedener Anforderungsbereiche. Zentrale Aspekte der geographischen Bildung fokussie-

ren die Kategorie Raum sowie Wechselwirkungen zwischen Natur und Gesellschaft. Es wer-

den die Kompetenzbereiche Fachwissen, räumliche Orientierung, Erkenntnisgewin-

nung/Methoden, Kommunikation, Beurteilung/Bewertung und Handlung definiert. Um rele-

vante geographische Probleme, Phänomene und Prozesse im Sinne des Kompetenzbegrif-

fes in variablen Situationen verantwortungsbewusst erkennen und unter dem Aspekt der

raumbezogenen Handlungskompetenz entscheiden zu können, muss u. a. die Problemlöse-

kompetenz bei den Schülerinnen und Schülern entwickelt werden (DGFG 2007, S. 5).

Die geographischen Bildungsstandards für den Mittleren Bildungsabschluss definieren den

Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung/Methode als die „Fähigkeit, geographisch/geo-

wissenschaftlich relevante Informationen im Realraum sowie aus Medien gewinnen und

auswerten sowie Schritte zur Erkenntnisgewinnung in der Geographie beschreiben zu kön-

nen“ (DGFG 2007, S. 9). Somit umfasst „die Kenntnis von Informationsquellen, -formen und

-strategien“ (DGFG 2007, S. 19) drei Fähigkeiten:

1) Informationsgewinnung,

2) Informationsauswertung,

3) Schritte, die Erkenntnisgewinnung zu beschreiben und zu reflektieren.

Die Informationsgewinnung im Geographieunterricht erfolgt im Sinne der Bildungsstandards

durch Medien und/oder eigene Datengewinnung. Die Datengewinnung kann mittels der Me-

thode des Experimentierens erfolgen (DGFG 2007, S. 19). Die Schülerinnen und Schüler

sollen erfahren, wie Forscher ihre Erkenntnisse gewinnen und dabei „grundsätzlich die glei-

chen Schritte bei ihrer eigenen Suche nach Erkenntnissen und Lösungen vollziehen“ (DGFG

2007, S. 20). Dabei wird das Experiment als die charakteristische Erkenntnismethode der

Naturwissenschaften bezeichnet und zugleich den Fächern Biologie, Chemie, Geographie

und Physik die Aufgabe der adäquaten Vermittlung des Methodenverständnisses zugespro-

chen (HAMMANN ET AL. 2007, S. 88).

Zusammenfassend wird festgehalten, dass nach den Ergebnissen der internationalen Ver-

gleichsstudien grundlegende Veränderungen auf nationaler Ebene gefordert wurden. Die

Umorientierung von Output- zu Input-Strategien rücken im Kontext der Grundbildung (litera-

cy) im Sinne nachhaltigen Lernens in den Fokus. Ausgehend von einem geringen Kompe-

tenzstand im Jahr 2000 werden Kompetenzbereiche neu definiert. In den geographischen

Bildungsstandards im Bereich Erkenntnisgewinnung (DGFG 2007, S. 19 ff.) wird u. a. konkret

die Fähigkeit benannt, die Schritte der Erkenntnisgewinnung zu beschreiben und zu reflektie-

10


ren und dabei in Ansätzen die gleichen Methoden zur Problemlösung zu verwenden, die ein

Forscher nutzen würde.

Im Weiteren wird das Problemlösen im Kontext weiterer Fachdisziplinen betrachtet, um Er-

kenntnisse zur Entwicklung kompetenzorientierter Erkenntnisgewinnung ableiten zu können.

2.2 Problemlösendes Denken und Lernen

In den Fachdisziplinen der pädagogischen Psychologie, der Erziehungswissenschaft, der

Didaktiken der Naturwissenschaften und der Geographiedidaktik wurden in den letzten Jahr-

zehnten vielfältige Erkenntnisse zum problemlösenden Denken und Lernen gewonnen.

2.2.1 Problemlösen

DUNCKER (1974) definiert ein Problem als dann vorhanden, „wenn ein Lebewesen ein Ziel

hat und nicht >weiß<, wie es dieses Ziel erreichen soll. Wo immer der gegebene Zustand

sich nicht durch bloßes Handeln (Ausführen selbstverständlicher Operationen) in den er-

strebten Zustand überführen lässt, wird das Denken auf den Plan gerufen“ (DUNCKER 1974,

S.1). Probleme entstehen somit dadurch, dass ein verfolgtes Ziel nicht gelöst werden kann.

Weitere Definitionen ähneln dieser. So beschreibt KLIX (1971, S. 640) ein Problem mit einem

Anfangszustand, einem Zielzustand und dem Misslingen der Überführung des Anfangszu-

standes in den gewünschten Zielzustand. LÜER und SPADA (1990, S. 256) sprechen zudem

von einem inneren Problemraum, der sich durch Lücken auszeichnet. Eine Barriere zwi-

schen Anfangs- und Zielzustand wird deutlich (FUNKE 2003, S. 20). MIETZEL (1993) be-

schreibt ein Problem als dann vorhanden, wenn eine Person in einer Situation ist, in der sie

ein Ziel erreichen möchte, ihr jedoch der Zugang verschlossen bleibt. Problemlösen wird

somit als ein innerer Zustand erklärt. Es wird ausgelöst, wenn „die augenblickliche Handlung

für die [festgesetzte] Zielerreichung nicht ausreicht oder eine Diskrepanz zwischen der Hand-

lungserwartung und dem tatsächlichen Ausgang auftritt“ (BÖSEL 2001, S. 292).

Problemlösendes Denken kann als Suche nach der Lösung benannt werden. Eine Möglich-

keit dieser Suche wird von THORNDIKE gegen Ende des 19. Jahrhunderts als trial-and-error-

learning beschrieben (BETSCH ET AL. 2011, S. 175). Versuch und Irrtum wird definiert als die

„Beschreibung einer blinden Problemlösemethode, also eines Problemlösens ohne Einsicht,

bei dem so lange probiert wird, bis sich ein Erfolg einstellt“ (BETSCH ET AL. 2011, S. 175).

Nicht zum Ziel führende Aktionen werden auf Dauer nicht mehr gezeigt, hingegen häufig

bewährte Reaktionen. Um dieser einfachen und blinden Problemlösestrategie entgegenzu-

wirken, rücken, auch im Zuge der PISA-Studien, komplexe Problemlösungen in den Fokus.

Die Reichweite sollte nicht durch einfache Anordnungsaufgaben definiert werden. Vielmehr

rückt das Planen und Problemlösen in Alltagskontexten in das Zentrum. Bereiche aus unter-

11


schiedlichen Domänen (eher praktisch oder eher theoretisch, eher akademisch oder alltags-

nah) beeinflussen den authentischen Kontext und damit die Komplexität. Ein Problem kann

geschlossen oder offen definiert werden. So werden Ziele transparent bzw. intransparent,

letzteres beinhaltet eine höhere Komplexität (KLIEME ET AL. 2001, S.187). Komplexe Proble-

me sind als Reduzierungen der Barrieren definiert, um vom Anfangszustand zum gewünsch-

ten Zielzustand zu gelangen. Die Eigenschaften des Ausgangszustandes, der Barriere oder

des gewünschten Zielzustandes sind dabei unbekannt. Die Person muss jedoch unter An-

wendung von Wissen sowie kognitiver, emotionaler und sozialer Fähigkeiten vorgehen

(FUNKE 2006, S. 440f.). Weiterhin ist das Problemlösen durch die Merkmale der Person und

der Situation bedingt. Die Personenmerkmale zur Lösung eines Problems werden nach

FUNKE (2006) durch Komponenten der Intelligenz, Motivation und Emotion beeinflusst. Die

Merkmale der Situation werden nach FUNKE (2003) in drei Bereiche klassifiziert: a) Art der

Aufgabenstellung, b) Stress, c) individuelles Problemlösen versus Problemlöseverfahren in

Gruppen.

Aus kognitionspsychologischer und erziehungswissenschaftlicher Perspektive wird Problem-

lösen weiter eingegrenzt. BAUMERT ET. AL (2003) definiert Problemlösen als „zielorientiertes

Denken und Handeln in Situationen, für deren Bewältigung keine Routinen verfügbar sind“

(BAUMERT ET AL. 2003, S. 3). So wird Problemlösen als ein primär kognitiver Prozess be-

schrieben und von emotionalen und sozialen Faktoren abgegrenzt. Soziale Komponenten

(kooperatives Arbeiten) und emotionale Faktoren (Interesse) beeinflussen den Problemlöse-

prozess, jedoch wird dieser primär von kognitiven Komponenten ermöglicht. Die Qualität des

Problemlösens ist somit durch das Verständnis der Problemsituation bestimmt sowie den

Denkprozessen bei der Problembearbeitung und der Angemessenheit der erreichten Lösung

(BAUMERT ET AL. 2003, S. 3 f).

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass ein Problem dann vorliegt, wenn in Si-

tuationen ein Ziel nicht routiniert erreicht werden kann, wenn bekannte Verhaltensweisen

nicht zum gewünschten Zielzustand führen. Komplexe Probleme sind durch offene und au-

thentische Bezüge gekennzeichnet. Dem kognitiven Prozess wird die primäre Komponente

der Problemlösung zugeschrieben, so dass in Anlehnung an BAUMERT ET AL. (2003) in der

vorliegenden Arbeit die kognitiven Problemlösestrategien erhoben werden. Soziale und emo-

tionale Faktoren finden hingegen in der Konzeption der Intervention Berücksichtigung.

12


2.2.2 Problemlösendes Lernen

Im Kontext des Lernens wird oftmals von trägem Wissen (MANDL 2003, S. 8) gesprochen, bei

dem erworbenes schulisches Wissen im Alltag nicht angewendet werden kann. Im Unterricht

vermittelte Methoden und Wissen können von den Schülerinnen und Schülern schlecht auf

Realsituationen im Alltag angewendet oder übertragen werden (MANDL 2003, S. 8). Durch

den Einsatz der Problemorientierung im Unterricht wird dem gezielt nachgegangen. Das pro-

blemorientierte Lernen stellt einen Ansatz dar, bei dem die erworbenen Kompetenzen auch

im späteren Leben Anwendung finden können. Aus Perspektive der pädagogischen Psycho-

logie beruht der Ansatz auf fünf Gestaltungskonzepten, bei denen Lernen als a) aktiver, b)

selbstgesteuerter, c) konstruktiver, d) situativer und e) sozialer Prozess konzipiert wird

(MANDL 2003, S. 9). HASSELHORN und GOLD (2009) nennen im Kontext des problemorientier-

ten Lernens die Prinzipien des entdeckenden, situierten, kooperativen und selbstgesteuerten

Lernens.

Das entdeckende Lernen geht auf BRUNER (1961) zurück und implementiert das problemori-

entierte Lernen. Es werden „geeignete (d. h. authentische und realistische) Probleme“

(HASSELHORN, GOLD 2009, S. 266) vorgegeben. Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler

zur Selbsttätigkeit motiviert werden. Neben den entsprechenden Lerngelegenheiten müssen

Hilfestellungen zum Problemlöseprozess gegeben werden. Zusammenhänge werden er-

kannt, indem „ein aktives, selbstständiges und exploratives Lernverhalten“ (HASSELHORN,

GOLD 2009, S. 266) gefordert wird. Das entdeckenlassende Lehren, so von HASSELHORN

(2009) bezeichnet, ist dadurch charakterisiert, dass keine instruktionale Vorgabe erfolgt,

sondern der „Lernende selbst aktiv generiert (herleitet) und konstruiert“ (HASSELHORN, GOLD

2009, S. 262). Daher ist diese Lernform der „kognitiv-konstruktivistischen Lehr-Lern-Theorie“

(HASSELHORN 2009, S. 262) zuzuordnen. Es wird sowohl vom problemorientierten Unterricht

(TERHART 2000) als auch von Problemorientierung (REINMANN, MANDL 2006) gesprochen.

Übergeordnet werden folgende Merkmale oder Leitlinien für den problemorientierten Unter-

richt aufgeführt: Situiertes (authentisches) Problem, aktive Konstruktion, selbstgesteuertes

Lernen, multiple Kontexte und Perspektiven, kooperative Lernumgebungen (soziale Prozes-

se) und instruktionale Unterrichtsanteile (REINMANN, MANDL 2006, S. 640 f.; HASSELHORN,

GOLD 2009, S. 264 ff.). Als Kritiker des Ansatzes ist AUSUBEL (1968, 1974) zu nennen, der

die Ineffizienz der Methode betont, da der Wissenserwerb vermindert werde und insbeson-

dere Nachteile für leistungsschwächere Schülerinnen und Schüler entstünden. Somit be-

fürchtet er durch die entdeckende Unterrichtsform gerade bei leistungsschwächeren Lernen-

13


den einen verminderten Wissenserwerb durch die Reduktion der direkten Instruktion, der

Vorstrukturierung und Darbietung.

Lernprozesse weisen immer eine Steuerungsseite auf. Diese kann a) von außen kommen

(fremdgesteuertes Lernen) oder b) vom Lernenden selbst (selbstgesteuertes Lernen). Im

regulären Unterricht treten oftmals Mischformen auf, bei denen der Lehrer (fremdgesteuert)

den Lernprozess in Gang setzt und abschließend bewertet. Die Erarbeitung des Lerninhalts

erfolgt dann durch die Lernenden (selbstgesteuert). Die Lernsteuerung basiert a) auf den

kognitiv-rationalistischen Lehr-Lern-Theorien, die durch direkte und adaptive Instruktion ge-

kennzeichnet sind, oder b) auf den kognitiv-konstruktivistischen Lehr-Lern-Theorien, die auf

der internen Selbststeuerung und den problemorientierten Modellen basieren (HASSELHORN,

GOLD 2009, S. 300 ff.). „Selbstgesteuertes ist selbstständiges ist selbstreguliertes Lernen“

(HASSELHORN, GOLD 2009, S. 302). Selbstreguliertes Lernen ist Lernen, das aus selbststän-

dig generierten Gedanken und Verhaltensweisen resultiert. Es ist auf die systematische Er-

reichung der eigenen Lernziele ausgerichtet (SCHLUNK, ZIMMERMAN 2003, S. 59). Die Ler-

nenden legen ihre Strategien zur Erreichung dieser Ziele selbstständig fest und evaluieren

abschließend ihre Lernstrategie (ARTELT ET. AL 2001, S. 271).

Kooperatives Lernen basiert auf Gruppendynamik, indem die Schülerinnen und Schüler in

Kleingruppen zusammenarbeiten und sich gegenseitig unterstützen. Es ist „aktives, selbst-

ständiges und soziales Lernen“ (HASSELHORN, GOLD 2009, S. 285), der Lehrer nimmt eine

passiv beratende Rolle ein. Die Gruppengröße kann zwischen zwei und fünf Lernenden vari-

ieren. Neben kognitiven werden motivationale und emotionale Kompetenzen gefördert. Eine

Erhöhung der qualitativen Behaltensleistung sowie der Anwendbarkeit soll erreicht werden.

Weiterhin soll die Konfliktbewältigung gefördert werden. Differenziert werden nach

HASSELHORN und GOLD (2009) kooperative Lernformen, bei denen die Lernenden nur durch

gemeinsames Arbeiten eine Aufgabe lösen können, kompetitive Zielstrukturen sind hingegen

durch Aufgaben gekennzeichnet, die auch einzeln gelöst werden können. In individualisier-

ten Strukturen können Schülerinnen und Schüler unabhängig voneinander erfolgreich lernen

(HASSELHORN, GOLD 2009, S. 285 f.). JOHNSON und JOHNSON (1994) schreiben der kompeti-

tiven Zielstruktur positive Effekte zu, da der Gesamterfolg an dem Erfolg jedes einzelnen

Gruppenmitglieds hänge. Fünf Basismerkmale charakterisieren das kooperative Lernen: a)

positive Interdependenz (entspricht der kompetitiven Zielstruktur), b) individuelle Verantwort-

lichkeit (der Beitrag jedes Einzelnen zum zielführenden Ergebnis muss erkennbar sein, damit

es keine Rollenverteilung auf passiver und aktiver Basis gibt), c) förderliche Interaktionen

(Aufgabenspezialisierung darf nicht zur Aufgabenteilung werden), d) kooperative Arbeits-

techniken (setzt kommunikative Fertigkeiten und Fähigkeiten zur Konfliktbewältigung vor-

14


aus), e) reflexive Prozesse (konstruktiver Austausch über Gruppenprozesse) (HASSELHORN,

GOLD 2009, S. 286 ff.).

Die Lernumgebung soll anhand realer Probleme und authentischer Situationen konzipiert

werden. Dadurch wird Betroffenheit erzeugt und so die Motivation der Schülerinnen und

Schüler gefördert (MANDL 2003, S. 10). Authentische Probleme fördern die Anschlussfähig-

keit des Gelernten im späteren Leben. MANDL (2003) nennt zur Schaffung situierten Lernum-

gebungen u. a. das Schülerexperiment an Stelle des Lehrerdemonstrationsversuchs, reale

Themen und Probleme ohne eine „Aneinanderreihung von Fachinhalten“ (MANDL 2003, S.

11), Beteiligungsrituale und Handlungsorientierung (MANDL 2003, S. 11). Dabei ist es wichtig,

die Inhalte auf multiple Kontexte transferieren zu können, um zu vermeiden, dass das Ge-

lernte auf einem Inhalt fixiert bleibt (MANDL 2003, S. 10f.).

MAYER und ZIEMEK (2006) führen im Kontext des problemorientierten Lernens aus biologie-

didaktischer Perspektive an, dass häufig ein synonymer Gebrauch zu den Begriffen entdec-

kendes Lernen, forschendes Lernen (inquiry learning) bzw. forschend-entwickelndes Lernen

erfolgt. Dem entdeckenden Lernen wird die selbstständige Suche von Informationen und

dem damit einhergehenden aktiven Konstruieren von Wissen zugesprochen. Im naturwis-

senschaftlichen Unterricht erfolgt dies in der Regel durch naturwissenschaftliche Untersu-

chungen wie die Methoden Beobachtung und Experiment. Das forschende Lernen ist nach

MAYER und ZIEMEK (2006) eine Lernaktivität, bei der die Schülerinnen und Schüler Inhalte

und Methoden durch wissenschaftliche Erkenntnisprozesse erlernen. Das kreative Auffinden

von Lösungsstrategien rückt in den Fokus, um neben neuen Fähigkeiten auch Wissen zu

erwerben. Elemente des forschenden Lernens sind Problemorientierung, eigenständiges,

offenes Lernen, kooperatives Lernen und Lernen in Kontexten (MAYER, ZIEMEK 2006, S. 7).

MAYER (2007) konzipierte für diese naturwissenschaftliche Problemlösung ein Kompetenz-

modell, das von GRUBE (2010) empirisch überprüft wurde.

KÖHLER (2012) definiert die Ausgangssituation des Problemlöseprozesses aus der Perspek-

tive der Biologiedidaktik dadurch, dass der Weg zum Erreichen des Ziels zunächst unklar

sei. „Erst durch die Analyse der Komplexität des Sachverhalts, das Erkennen der Dynamik

des Zusammenhangs und der Vernetzung der Systembeziehungen […] wird die Durch-

schaubarkeit und eine durchdachte Beeinflussung der Situation ermöglicht“ (KÖHLER 2012,

S. 125). Im problemlösenden Unterricht wird nach KÖHLER (2003) zunächst eine gemeinsa-

me Fragestellung als Ausgangspunkt formuliert. Die Schülerinnen und Schüler setzten sich

mit dem Problem und der Frage auseinander und werden zu selbstständigem Denken und

Arbeiten angeregt (KÖHLER 2012, S. 125). BERCK und GRAF (2010) fordern anschließend die

Formulierung von Hypothesen (argumentativ geleitet) sowie die Überprüfung der Fragen

bzw. Hypothesen mit entsprechenden Materialien (BERCK, GRAF 2010, S. 91).

15


Aus physikdidaktischer Perspektive sollen die Lernenden an naturwissenschaftliche Pro-

blemlösekompetenzen herangeführt werden, die über das deklarative Wissen hinausgehen.

Eine explorative Lernumgebung wird gefordert (FISCHER, DRAXLER 2007, S. 643), d. h. eine

aktivierende Lernsituation, die Möglichkeiten zur Selbststeuerung ermöglicht.

In der Geographiedidaktik wird das problemlösende Lernen als die „wahrscheinlich notwen-

digste Qualifikation für eine ungewisse Zukunft“ (RINSCHEDE 2007, S. 67) beschrieben. Ziel

ist die Förderung von Schlüsselqualifikationen, um Probleme (z. B. Umwelt- und Ressour-

cengefährdungen) zukünftig bewältigen zu können. Charakteristisch ist dabei das Prinzip des

entdeckenden Lernens, d. h. aktiv konstruiertes Wissen, das die Basis darstellt und beim

problemorientierten Lernen dadurch erweitert wird, dass Neuleistungen von den Lernenden

erwartet werden (RINSCHEDE 2007, S. 67). Ein Problem liegt vor, das durch bekannte Verhal-

tensweisen nicht gelöst werden kann. Der Lösungsweg muss von den Schülerinnen und

Schülern selbstständig entwickelt werden (RINSCHEDE 2007, S. 67). In Anlehnung an das

entdeckende und problemlösende Lernen benennt RINSCHEDE (2007) die Elemente Selbst-

ständigkeit, authentische Probleme (wirklichkeitsnahe Situationen), schülerkooperierende

oder dialogische Aktionsformen. Weiterhin wird darauf verwiesen, dass Schülerinnen und

Schüler über Voraussetzungen (Begriffe, Operationen, Methoden) verfügen müssen, um

problemlösend lernen zu können. Der idealtypische Ablauf des problemlösenden Lernens

erfolgt nach RINSCHEDE (2007) anhand der Phasen: a) Erkennen des Problems, b) Hypothe-

senbildung, c) Lösungsstrategien, d) Problemlösung, e) Verifikation, Falsifikation oder Modi-

fikation der Hypothesen, f) Reflexion der Gültigkeit der Problemlösung (RINSCHEDE 2007, S.

67 f). In der Phase Erkennen des Problems kommen wiederum die Erkenntnisse der päd-

agogischen Psychologie zum Tragen. Die Lernenden werden in die Situation versetzt, ein

Ziel erreichen zu wollen, ein Problem zu lösen, dessen Zielerreichung unbekannt ist. Die

Lernenden werden folglich im ersten Schritt mit einem authentischen Problem konfrontiert.

Problemlösendes Lernen geht von Hypothesen aus, d. h. Vermutungen, die zum Problemlö-

sen geeignet erscheinen. Die Hypothesen werden im zweiten Schritt formuliert. Dem schließt

die Planung der Lösungsstrategie an, so dass die Durchführung der Problemlösung folgen

kann. Die Problemlösung dient der Überprüfung der Hypothesen, indem Informationen ein-

geholt werden, die zur Bestätigung der Vermutungen herangezogen werden. Die Evaluie-

rung der Informationen ist Grundlage der Hypothesenrevision, d. h. der Bestätigung (Verifi-

zierung), Widerlegung (Falsifizierung) oder gegebenenfalls der Überdenkung und damit Mo-

difikation der zuvor formulierten Hypothesen. In der abschließenden Phase wird die Gültig-

keit der Problemlösestrategie reflektiert (RINSCHEDE 2007, S. 67 f.). Zudem benennt

RINSCHEDE (2007) das problemorientierte entdeckende Lernen (entdeckendes Lernen als

16


Problemlösen). Durch ein Experiment kann dabei der selbstgesteuerte Erwerb von Wissen

ermöglicht werden (RINSCHEDE 2007, S. 66).

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass im Kontext der PISA-Studien eine verstärkte Pro-

blemorientierung im Unterricht gefordert wird. Ein Versuch zur Klärung der unscharfen Be-

griffsverwendung des entdeckenden, problemorientierten und forschenden Lernens kann

anhand der jeweiligen Fachdisziplinen erfolgen. Das entdeckende Lernen wird insbesondere

in der pädagogischen Psychologie (HASSELHORN, GOLD 2009, S. 262) verwendet und von

MANDL (2003) anhand der Elemente a) aktiver, b) selbstgesteuerter, c) konstruktiver, d) si-

tuativer, e) sozialer Prozess charakterisiert. Aus biologiedidaktischer Perspektive erfolgt eine

Abgrenzung hinsichtlich naturwissenschaftlicher Methoden mit dem Ziel, wissenschaftliche

Erkenntnisprozesse und naturwissenschaftliche Problemlösekompetenzen zu fördern. Defi-

niert unter dem Begriff forschendes Lernen, werden die Elemente Eigenständigkeit, Offen-

heit, kooperatives Lernen und Lernen in Kontexten aufgeführt (MAYER, ZIEMEK 2006, S. 7).

Neben dem Erwerb von Problemlösestrategien soll das inhaltliche Wissen gefördert werden.

RINSCHEDE (2007) benennt im Zuge des entdeckenden und problemlösenden Lernens eben-

falls die Prinzipien der Selbstständigkeit, authentische Probleme sowie kooperative Arbeits-

weisen. In Anlehnung an RINSCHEDE (2007) wird in der vorliegenden Arbeit der Begriff pro-

blemlösendes Lernen verwendet, das durch die Elemente aktiv konstruierendes Lernen,

selbstgesteuertes Lernen, kooperatives Lernen und situiertes Lernen gekennzeichnet ist

(MANDL 2003, S. 10; MAYER, ZIEMEK 2006, S. 7; RINSCHEDE 2007, S. 67; HASSELHORN, GOLD

2009, S. 262 ff.) (s. Abb. 2).

Abbildung 2: Prinzipien des problemlösenden Lernens (nach MANDL 2003, S. 10; MAYER, ZIEMEK

2006, S. 7; RINSCHEDE 2007, S. 67; HASSELHORN, GOLD 2009, S. 262 ff.)

problemlösendes Lernen

situiert

kooperativ

selbstgesteuert

aktiv konstruierend

17


Im Folgenden werden die Eigenschaften des problemlösenden Lernens in Abgrenzung zum

fragend-gelenkten Unterricht dargestellt (s. Tab. 2). Laut RINSCHEDE (2007) ist der fragend-

gelenkte Unterricht das wichtigste Unterrichtsinstrument im regulären Unterricht (RINSCHEDE

2007, S. 230).

Tabelle 2: Problemlösendes Lernen und fragend-gelenkter Unterricht

problemlösendes Lernen fragend-gelenkter Unterricht

Einstieg Problemeröffnung und Problem-findung, Verortung

informierender Unterrichtseinstieg, Verortung, Vorkenntnisse aktivieren,

wiederholen

Steuerung selbstständig und verstärkt selbstgesteuert

fremdgesteuert; Lehrer lenkt Denk-prozesse der Lernenden

Instruktion schrittweise Reduktion der (ad-aptiven) Instruktion, Anleitung,

Hilfestellung und Vorgabe

direkte Instruktion, Anleitung und Darbietung durch die Lehrkraft

Lehrerverhalten Lehrkraft übernimmt beratende Funktion

Lehrkraft übernimmt Kontrollfunktion

Kompetenzerwerb entdeckend und konstruktivi-stisch; aktive und kooperative Konstruktion von Wissen und

Problemlösestrategien

instruktional; passiver Erwerb kogniti-ven Wissens

Beim problemorientierten Lernen dient der Einstieg der Eröffnung eines Problemfeldes. Dies

steht im Kontrast zum fragend-gelenkten Unterricht, bei dem der Einstieg informierend den

Unterrichtsinhalt widerspiegelt. Die Steuerungskomponente des problemlösenden Unter-

richts basiert auf der Förderung der Selbstständigkeit mit dem Ziel, die Schülerinnen und

Schüler zum selbstgesteuerten Lernen zu befähigen. Dabei müssen laut RINSCHEDE (2007)

Begriffe, Methoden und Verfahren bekannt sein, um im offenen Unterricht problemlösend

arbeiten zu können. Demnach werden zu Beginn Instruktionen erteilt. Durch Anleitung, Vor-

gabe und Hilfestellung werden die Lernenden mit Begriffen und Methode vertraut gemacht.

Die anschließende schrittweise Reduktion der Anleitung soll Raum für eine Erhöhung der

Selbstständigkeit ermöglichen. Der Kompetenzerwerb erfolgt fortan aktiv in kooperativen

Arbeitsweisen, in denen die Lehrkraft eine beratende Rolle einnimmt. Dem problemlösenden

Lernen steht der fragend-gelenkte Unterricht entgegen, der durch eine starke Kontrollfunkti-

on seitens des Lehrers gekennzeichnet ist. Die Lehrkraft steuert den Denk- und Arbeitspro-

zess der Lernenden durch direkte Instruktion, hier steht der kognitive Lernprozess im Vor-

dergrund und nicht das methodische Lernen. Charakteristisch ist beim fragend-gelenkten

Unterricht die starke Fremdsteuerung der Lernenden durch die Lehrkraft (RINSCHEDE 2007,

S. 230). In der vorliegenden Konzeption wird der fragend-gelenkte Unterricht durch vorstruk-

turierte Arbeitsblätter angeleitet und durch die Lehrkraft gelenkt. Die standardisierten Ar-

18


beitsblätter mit vorgefertigten Informations- und Fragepassagen sind notwendig, um die Er-

gebnisse der Vergleichsgruppen in inhaltlicher und zeitlicher Dimension kontrollieren zu kön-

nen.

2.2.3 Stand der Forschung: Problemlösendes Lernen

In den letzten Jahrzehnten entstand eine breite Diskussion um die Effektivität des problem-

orientierten bzw. forschenden Lernens. Zahlreiche Studien liegen vor, von denen eine Aus-

wahl im Folgenden vorgestellt wird.

Viele Studien bescheinigen dem problemlösenden Lernen einen positiven Lerneffekt hin-

sichtlich des Wissenserwerbs. Demnach zeigen HORWITZ ET AL. (1996) in ihrer Studie, dass

Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe einen hohen Lernerfolg in problemorientierter

Lernumgebung erzielen. Als Basis diente eine Lernsoftware zum Thema Genetik. Weiterhin

untersuchten HANDELSMANN ET. AL (2004) die Effektivität von problemorientierten Lernumge-

bungen im Vergleich zu traditionellen anhand von Studierenden. Auch hier werden positive

Effekte beim methodischen Kompetenzerwerb benannt. LYNCH ET. AL (2005) untersuchen

Schülerinnen und Schüler (n = 2000) aus der Perspektive der Chemie und zeigen neben

einem positiven Lerneffekt eine erhöhte Motivation der Lernenden durch problemlösendes

Lernen. Ein positiver Wissenszuwachs durch problemlösendes Lernen wird von

MERGENDOLLER ET AL. (2006) ermittelt. Lernende mit problemlösender Lernumgebung erziel-

ten einen höheren Lernzuwachs als Schülerinnen und Schüler die mit dem traditionellen fra-

gend-entwickelnden Ansatz unterrichtet wurden. HWANG ET. AL (2012) untersuchten in einem

experimentellen Pre-/Post-Design mit Experiment- und Kontrollgruppe Schülerinnen und

Schüler der 5. und 6. Klasse in Taiwan anhand eines webbasierten Computerspiels zur Öko-

logie von Schmetterlingen. Die Experimentalgruppe wurde auf Grundlage eines problemlö-

senden Computerspiels getestet, die Kontrollgruppe hingegen anhand eines konventionellen.

Es wurden signifikante Unterschiede im Lernerfolg, der Einstellung und dem Interesse zu

Gunsten der Experimentalgruppe im Posttest deutlich. Demgegenüber stehen die Auffas-

sungen von AUSUBEL (1968, 1974), der u. a. die Benachteiligung leistungsschwacher Schü-

lerinnen und Schüler benennt. SWELLER (1988, 2004) führt in seiner Cognitive Load Theory

ebenfalls die Benachteiligung auf, da die Verarbeitung im Kurzzeitgedächtnis zur Überforde-

rung leistungsschwacher Lernender führt. Demgegenüber belegt die Studie von LYNCH ET. AL

(2005) gerade bei leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern einen positiven Lerner-

folg. Auch die in der Biologiedidaktik begründete Interventionsstudie von HOF (2011), in der

im Pre-/Post-Verfahren Schülerinnen und Schüler im forschenden Lernen bzw. fragend-

entwickelnden Verfahren (Kontrollgruppe) unterrichtet wurden, zeigen leistungsstärkere

Schülerinnen und Schüler keinen höheren Lernzuwachs gegenüber schwächeren Lernen-

19


den. Auch die Studie von WERNING und BANNACH (1994) zeigt einen positiven Lernerfolg

durch entdeckendes Lernen bei sehr leistungsschwachen Schülerinnen und Schüler.

Im Zuge der kontroversen Diskussion um direkte Instruktion oder entdeckende problemorien-

tierte Lernumgebungen bildeten sich zwei Fronten. KIRSCHNER ET. AL. (2006) sprechen sich

für die direkte Instruktion und gegen offene, entdeckende Lernumgebungen aus. Einige Stu-

dien belegen die Annahme, dass direkte Instruktion zu einem höheren Lernerfolg führt.

KLAHR und NIGAM (2004) sowie CHEN und KLAHR (1999) zeigen in ihren Studien positive Ef-

fekte für die direkte Instruktion hinsichtlich des Erwerbs wissenschaftsmethodischer Kompe-

tenzen. Andere Studien zeigen hingegen positive Effekte für offene im Vergleich zu angelei-

teten Lernumgebungen (HOF 2011). SADEH und ZION (2012) untersuchten angeleitete und

offene Situationen des forschenden Lernens. Dabei werden als signifikante Ergebnisse ge-

nannt, dass die in offenen Lernumgebungen unterrichteten Schülerinnen und Schüler mehr

Zeit in den konzeptionellen (Auswahl treffen, Fragestellung formulieren, Planung eines Expe-

riments) sowie praktischen Phasen (Durchführung des Experimentes) verwendet haben. Die

angeleitet unterrichteten Lernenden empfanden hingegen den zeitlichen Aufwand zur Doku-

mentation und Datenauswertung am intensivsten.

Zum forschenden Lernen liegen weitere zahlreiche Befunde vor. SIMSEK und KABAPINAR

(2010) untersuchten an einer Grundschule in Istanbul (grade 5) 29 Schülerinnen und Schüler

im Alter von 10 bis 11 Jahren. In einer Interventionsstudie wird der Effekt von forschendem

Lernen auf das konzeptuelle Verständnis, das Verständnis der wissenschaftlichen Fähigkei-

ten sowie der Einstellung untersucht. In einem Pre-/Post-Design werden nach einer achtwö-

chigen Intervention signifikante Unterschiede im konzeptionellen Verständnis sowie den wis-

senschaftlichen Fähigkeiten deutlich. Eine signifikante Einstellungsänderung wird nicht fest-

gestellt.

Aus geographiedidaktischer Perspektive analysieren FAVIER und V.D. SCHEER (2012) in den

Niederlanden Strategien zum forschenden Lernen. Innerhalb der Unterrichtseinheit ‚Dienst-

leistung und Kunden’ wurden Schülerinnen und Schüler unter Anwendung von Geoinformati-

onssystemen aufgefordert, ökonomische Einflussgrößen auf ausgewählte Märkte zu unter-

suchen. Die Befunde zeigen, dass die Probanden mit der systematischen Konstruktion des

Vorgehens Probleme haben. Schwierigkeiten in den Teilbereichen Fragestellungen und

Hypothesen generieren, geographische Datensammlungen planen, graphische Darstellun-

gen und Datenauswertung werden deutlich. Eine logische Planung ist nicht erkennbar,

schwache Fragestellungen und Hypothesen liegen vor. Das systematische Vorgehen in

Form von forschenden Projekten mit Geoinformationssystemen ist keine den Probanden

bekannte Methode aus dem Geographieunterricht (FAVIER, V.D. SCHEER 2012, S. 674).

20


2.3 Kompetenzmodelle

Kompetenzentwicklungsmodelle ermöglichen die Förderung von Kompetenzen über mehrere

Jahre hinweg planen und evaluieren zu können. Dadurch kann der Kompetenzzuwachs ope-

rationalisiert werden. Es wird zwischen Kompetenzentwicklungsmodellen und Kompetenz-

strukturmodellen unterschieden (SCHECKER, PARCHMANN 2006, S. 47). Ein Kompetenzstruk-

turmodell stellt die Gesamtkategorie der erworbenen oder zu erwerbenden Kompetenzen

und ihre Graduierung dar. Das Kompetenzentwicklungsmodell dient dazu, Annahmen dar-

über zu machen, wie sich Kompetenzstrukturen herausbilden. Kompetenzen bestehen aus

einzelnen Teilkompetenzen, die in einem Kompetenzentwicklungsmodell differenzierte und

separierte Betrachtung finden. Die Teilkompetenzen erfahren eine hierarchische Stufung.

Diese „geben Auskunft über Kompetenzverläufe, also gestufte Fähigkeiten und damit Grade

der Entwicklung von Kompetenzen“ (HAMMANN 2004, S. 196). Um beispielsweise lernpsy-

chologische Voraussetzungen oder Lernschwierigkeiten mit aufgreifen zu können, werden

bei der Entwicklung empirische Untersuchungen aus der allgemeinen Pädagogik, Entwick-

lungspsychologie und pädagogischen Psychologie mit einbezogen (HAMMANN 2004, S. 196).

Im Folgenden werden ausgewählte Kompetenzmodelle aus den Fachdidaktiken der Natur-

wissenschaften gesichtet und aufgezeigt. Eine Selektion im Vorfeld erfolgt mit Blick auf sol-

che Modelle, die für die vorliegende Arbeit essentielle und an den Kompetenzen des Expe-

rimentierens orientierte Strukturen darstellen. Ziel ist es, entsprechende Teilkompetenzen

zur empirischen Erhebung für die vorliegende Arbeit herauszuarbeiten.

Kompetenzen zur naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung werden international als

Scientific Literacy oder Nature of Science bezeichnet. Weiterhin werden in Deutschland die

Begriffe Wissenschaftspropädeutik, wissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen oder Er-

kenntnisgewinnung verwendet. Schüler sollen lernen, „wie naturwissenschaftliche Erkennt-

nisse gewonnen werden und was naturwissenschaftliche Methodik und Aussage charakteri-

siert“ (MAYER 2007, S. 176).

Kompetenzentwicklungsmodelle gestalten den möglichen Erwerb der Erkenntnisgewinnung

(Scientific Literacy) vom Niveau der alltäglichen Vorstellungen über Fähigkeitsniveaus hin zu

einem „differenzierten Umgang mit naturwissenschaftlichen Konzepten und Methoden“

(HAMMANN 2004, S. 197). Weiterhin verdeutlichen sie die Differenzierung der wissenschaftli-

chen Grundbildung (Scientific Literacy) in Kompetenzen und ihrer Stufungen. Die Fachdidak-

tiker differenzieren weiter, bezogen auf ihr Fach, und erstellen damit Entwicklungsmodelle für

die elementaren naturwissenschaftlichen Kompetenzen. Ziel ist es, empirisch gesicherte Er-

kenntnisse über die Kompetenzstrukturen zu erlangen, gegebenenfalls Lücken zu schließen

und dadurch die didaktische Forschung weiterzuentwickeln (s. Tab. 3) (HAMMANN 2004, S.

197).

21


Im Rahmen der empirischen Lehr- und Lernforschung gibt es bislang keine empirischen Er-

hebungen aus dem Fachbereich der Geographiedidaktik bezüglich Problemlösen und Expe-

rimentieren sowie der Möglichkeit der kompetenzorientierten Förderung. Ein konzeptioneller

Ansatz für ein geographisches Theoriemodell, basierend auf vier Teilkompetenzen, liegt hin-

gegen vor (OTTO ET. AL 2010, S. 133 ff.).

Tabelle 3: Übersicht der Theoriemodelle zur Kompetenzentwicklung des Experimentie-

rens/Erkenntnisgewinnung (verändert nach OTTO ET AL. 2010, S. 142)

Theorie/Modell Kompetenzen SDDS-Modell nach DUNBAR/KLAHR (1998)

o Suche im Hypothesen-Suchraum (Hypothesen gene-rieren)

o Suche im Experimentier-Suchraum (Testen der Hypo-thesen)

o Analyse von Daten Theorie des Problemlösens nach GOTT/DUGGAN (1998)

o Planung des Experiments o Datenerhebung o Datenanalyse und -interpretation

Standards nach DfEE/QCA (1999) und NRC (1996)

o Fragestellung entwickeln o Planung des Experiments o Datenerhebung o Datenanalyse und -interpretation

Kompetenzentwicklungsmodell nach HAMMANN (2004)

o Suche im Hypothesen-Suchraum (Hypothesen gene-rieren)

o Suche im Experimentier-Suchraum (Planung von Ex-perimenten)

o Analyse von Daten naturwissenschaftliches Struk-turmodell zur Erkenntisgewin-nung nach MAYER (2007) und MAYER ET AL. (2009)

o naturwissenschaftliche Frage formulieren o Hypothesen generieren o Untersuchung planen o Daten analysieren/Rückschlüsse ziehen

ESNaS- Kompetenzmodell nach WALPULSKI ET AL. (2008) und BERNHOLT ET AL. (2009)

o Kompetenzbereiche o kognitive Prozesse o Komplexität

Theoriemodell des geographi-schen Experiments OTTO, MÖNTER, HOF & WIRTH (2010)

o Fragestellung formulieren o Hypothesen generieren o Experiment planen o Daten analysieren/Schlussfolgerungen ziehen

NEWELL und SIMON (1972) konstruieren eine Theorie des Problemlösens, die auf zwei Pro-

zessen – Verstehensprozess und Suchprozess – und einem Problemraum beruhen (BETSCH

ET AL. 2011, S. 181). Der Problemraum wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie

Instruktionen, Vorerfahrung u. a. (BETSCH ET AL. 2011, S. 182). SIMON und LEA (1974) diffe-

renzieren den Problemraum in ihrer Zwei-Räume-Theorie in einen Regel- und einen Instan-

zenraum. Der Regelraum enthält alle Regeln zu einer Aufgabe, der Instanzenraum hingegen

die Zustände (FUNKE 2003, S. 67). KLAHR und DUNBAR (1988) entwickeln das SDDS-Modell

22


(Scientific Discovery as Dual Search), das die Basistheorie des entdeckenden Lernens dar-

stellt. In Anlehnung an die Zwei-Räume-Theorie definieren sie den Experimente- und Hypo-

thesenraum. Beide Räume interagieren und stehen damit in Abhängigkeit zueinander. Im

Hypothesenraum werden Hypothesen generiert, hinsichtlich Eingangs- und Ausgangsvaria-

blen verändert und ggf. wieder verworfen. „Aktivitäten im Hypothesenraum lösen Operatio-

nen im Experimenteraum aus“ (FUNKE 2003, S. 68). Im Experimenteraum erfolgt die Planung

des Experimentes auf Grundlage der Hypothesenüberprüfung bzw. Operatorenanwendun-

gen, um rückwirkend Generalisierungen abzuleiten. Zusammenfassend können nach der

Theorie drei Teilkompetenzen beschrieben werden, bei denen das Formulieren der Hypothe-

sen als erster Schritt des Problemlöseprozesses definiert ist: a) Hypothesen generieren (Su-

che im Hypothesenraum), b) Variablen identifizieren (Testen der Hypothesen), c) Daten in-

terpretieren.

Die Recherche internationaler Curricula verdeutlicht, dass die u. a. von KLAHR und DUNBAR

(1988) aufgeführten Kompetenzen des Experimentierens Berücksichtigung finden. In den

Standards nach DfEE/QCA (Department For Education and Employment/Qualifications and

Curriculum Authorithy England) und NRC (National Research Council USA) wird neben den

drei aufgeführten Teilkompetenzen der Kompetenz Fragestellung formulieren eine Bedeu-

tung zugemessen. Im National Curriculum for primary teachers England wird die Kompetenz

Fragestellung formulieren (DfEE/QCA 1999, S. 78) konkret benannt, sowie auch in den Na-

tional Science Education Standards Washington (NRC 1996).

Ein weiteres Modell stellt das ESNaS-Kompetenzmodell (Evaluation der Standards für die

Naturwissenschaften in der Sekundarstufe I) nach WALPULSKI ET AL. (2008) und BERNHOLT

ET AL. (2009) dar. Die Evaluation der Standards in den Naturwissenschaften für die Sekun-

darstufe I wird von den Mitgliedern des Instituts zur Qualitätsentwicklung im Bildungswesen

(IQB) gesteuert. Mit dem Ziel, die Aufgabenqualität für die Fächer Biologie, Chemie und

Physik zu optimieren, werden Lehrerinnen und Lehrer aus verschiedenen Bundesländern

sowie Fachdidaktikerinnen und Fachdidaktiker unterschiedlicher Universitäten mit dem Auf-

trag betraut, für die vier Kompetenzbereiche (Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommuni-

kation und Bewertung) Aufgaben zu entwickeln (WALPUSKI ET AL. 2008, S. 323). Auf Grund-

lage dieser Aufgaben werden Testaufgaben zur Überprüfung der Bildungsstandards in den

Fächern Biologie, Chemie und Physik entwickelt (WALPUSKI ET AL. 2010, S. 173).

Das Kompetenzstrukturmodell besteht aus drei Achsen: (1) Kompetenzbereiche, (2) kogniti-

ver Prozess und (3) Komplexität. (1) In den Nationalen Bildungsstandards werden vier Kom-

petenzbereiche (Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation und Bewertung) be-

schrieben. Die Evaluierung erfolgt durch Testaufgaben. (2) Die kognitiven Prozesse be-

schreiben, welche Tätigkeit bei der Lösung der Aufgaben ausgeführt werden muss. Dabei

23


werden vier kumulative Stufen unterschieden (reproduzieren, selegieren, organisieren und

integrieren). (3) Die Komplexität beschreibt, „welchen Umfang die zu bearbeitenden Inhalts-

strukturen haben“ (WALPUSKI ET AL. 2010, S. 176). Das Niveau steigt von Stufe I (ein Fakt),

zu Stufe II (zwei Fakten), Stufe III (ein Zusammenhang), Stufe IV (zwei Zusammenhänge)

bis Stufe V (übergeordnetes Konzept). Das Modell unterscheidet sich von den anderen, da

es im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung weitere Arbeitsweisen impliziert (OTTO ET. AL

2010, S. 142)

2.3.1 Kompetenzentwicklungsmodell nach HAMMANN (2004)

HAMMANN (2004) differenziert in Anlehnung an KLAHR (1988) drei Kompetenzbereiche des

Experimentierens:

a) Suche im Hypothesen-Suchraum (Hypothesen generieren),

b) Suche im Experimentier-Suchraum (Planung eines Experiments),

c) Analyse von Daten (Daten auswerten).

Die Suche im Hypothesen-Suchraum wird durch den Faktor des Hypothesengenerierens

definiert. Gemeint sind „Aspekte des Aufstellens, Verfeinerns und Revidierens […] auf der

Grundlage domänenspezifischen Vorwissens“ (HAMMANN 2004, S. 198) bzw. aus Daten, die

aus Beobachtungen gezogen werden. Weiterhin erfolgt die Prüfung der Plausibilität der

Hypothesen unter Einbezug von Vorwissen und kausalen Mechanismen (HAMMANN 2004, S.

198).

Der Suche im Hypothesen-Suchraum folgt die Planung des Experimentes, welche die Über-

prüfung der Hypothesen ermöglichen muss. Bezeichnend ist dabei der „Umgang mit Varia-

blen […], um Daten hervorzubringen, die in Bezug auf die eingangs gestellten Hypothesen

zweifelsfrei interpretierbar sind“ (HAMMANN 2004, S. 199). Domänenübergreifendes sowie

spezifisches Wissen sind notwendig, um einerseits die Variablen zu variieren, deren Einfluss

und ursächliche Wirkung vermutet wird. Andererseits ist das Wissen darüber notwendig,

dass auch Daten erhoben werden, die eine nicht bestätigende Wirkung aufweisen. Domä-

nenspezifisches Wissen bezeichnet das Wissen darüber, allgemeine Strategien bei der Ex-

perimentplanung zu beachten und inhaltliche Besonderheiten zu bedenken. Zu nennen ist

„das Überprüfen des Effekts jeder einzelnen manipulierten Variable, [die] ineffektiv oder irre-

levant ist“ (HAMMANN 2004, S. 199).

Die Datenanalyse erfolgt auf theoretischen Annahmen und der „Einschätzung zwischen er-

wartetem Resultat und ermittelter Evidenz“ (HAMMANN 2004, S. 199). Außerdem kommt es

zur Vermittlung zwischen den Phasen. Bei Falsifizierung der aufgestellten Hypothesen be-

darf es einer erneuten Suche im Hypothesen-Suchraum, das heißt Formulierung neuer

24


Hypothesen sowie der Planung eines neuen Experiments. Eine Fehleranalyse sowie Bewer-

tung der Vertrauenswürdigkeit der Daten erfolgt (HAMMANN 2004, S. 199).

Die Kompetenzniveaus der drei Teilkompetenzen definiert HAMMANN (2004) in vier Stufen (s.

Tab. 4 bis 6).

Tabelle 4: Kompetenzstufen bei der Suche im Hypothesen-Suchraum (HAMMANN 2004, S. 200)

Stufe Kompetenzniveau Nähere Beschreibung Alter 1 keine Hypothesen

beim Experimentieren

Es wird ohne Hypothesen experimentiert, das heißt, Ler-nende führen Experimente aus, ohne Vermutungen über Ursache Wirkungs-Beziehungen zu haben; sie versuchen, einen Effekt zu erzielen. Dieser Mangel an Wissen über die Notwendigkeit von Hypothesen resultiert in einem unsystematischen Durchsuchen des Experimentier-Suchraums.

Primar-stufe

2 unsystematische Suche nach Hypothesen

Es wird hypothesengeleitet experimentiert, jedoch werden nicht alle Hypothesen herangezogen, die für die Beant-wortung einer Fragestellung beachtet werden müssen oder bei der Suche nach Hypothesen werden diese nicht logisch aufeinander bezogen.

Klasse 5

3 systematische Su-che nach Hypothe-sen

Es werden multiple Hypothesen gebildet, die logisch auf-einander bezogen werden. Probleme bereitet jedoch die Hypothesenrevision.

Klasse 5

4 systematische Su-che nach Hypothe-sen und erfolgrei-che Hypothesenre-vision

Wie Stufe 3, jedoch gelingt auch die Hypothesenrevision in Situationen, in denen alle bereits getesteten Hypothe-sen falsifiziert wurden.

Klasse 7

Tabelle 5: Kompetenzstufen bei der Suche im Experimentier-Suchraum (HAMMANN 2004, S. 200)

Stufe Kompetenzniveau Nähere Beschreibung Alter 1 unsystematischer

Umgang mit Varia-blen

Lernende verändern die Ausprägung(en) einer oder meh-rerer Variablen ohne System, so dass keine schlüssigen Aussagen über die vermuteten Ursache-Wirkung Bezie-hungen möglich sind. Oft werden alle Variablen von einem Testansatz zum anderen verändert, eine Strategie, die Variablen konfundiert und mit change all, no plan und intuitive bezeichnet wird.

Primar-stufe

2 teilweise systema-tischer Umgang mit Variablen

Obwohl ein gegenüber Stufe 1 systematisches Vorgehen zu beobachten ist, liegen Defizite vor, welche die syste-matische Variation einer Variable und die fehlende Kon-trolle der anderen Variablen betreffen.

Klasse 5

3 systematischer Umgang mit Varia-blen in bekannten Domänen

Lernende variieren lediglich die Ausprägung der Testva-riable und halten die Ausprägung der übrigen Variablen konstant. Diese Vorgehensweise erlaubt es, eindeutige Aussagen über die Wirkweise einer bestimmten Variable zu treffen und die Wirkung anderer Variablen auf den zu erklärenden Zusammenhang auszuschließen.

Klasse 5

4 systematischer Umgang mit Varia-blen in unbekann-ten Domänen

Wie in Stufe 3 variieren Lernende lediglich die Ausprä-gung der Testvariable und halten die Ausprägung der übrigen Variable konstant. Jedoch gelingt die Anwendung dieser allgemeinen Strategie im Unterschied zur Stufe 3 auch in Wissensdomänen, in denen wenig oder kein Vor-wissen besteht.

Klasse 6

Tabelle 6: Kompetenzstufen bei der Analyse von Daten (HAMMANN 2004, S. 200)

25


Stufe Kompetenzniveau Nähere Beschreibung Alter 1 Daten werden nicht

auf Hypothesen bezogen

Beobachtete Effekte werden beschrieben, aber nicht Ur-sachen erklärt. Defizite beruhen auf einem mangelnden Verständnis der Ziele der Datenerhebung beim Experi-mentieren.

Primar-stufe

2 unlogische Analyse der Daten

Lernende beziehen Daten auf Hypothesen, ziehen jedoch unlogische Schlüsse, z. B. durch nichtbeachten deutlicher Kontraste zwischen Experimentalansatz und Kontrollan-satz. Beim Erklären der Ergebnisse eines Experimentes treten Widersprüche auf, Hypothesen werden gewechselt bzw. beibehalten, obwohl die Datenlage dieses nicht zu-lässt.

Klasse 5

3 weitgehend logi-sche Analyse der Daten, jedoch Pro-bleme bei der Be-wertung von Daten, die den eigenen Erwartungen wi-dersprechen

Lernende erklären Daten auf logisch konsistente Weise in den meisten experimentellen Situationen. Schwierigkeiten bereitet jedoch der Umgang mit Anomalien, also Daten, die den eigenen Erwartungen widersprechen und die häu-fig ignoriert oder fehlinterpretiert werden.

Klasse 6

4 Daten werden in adäquater Weise zur Überprüfung von Hypothesen herangezogen

Lernenden gelingt die Analyse von Daten selbst dann, wenn diese aufgrund inhaltlicher Erwartungen oder Be-dingungen der Datenerhebung (z. B. kontinuierliche Va-riablen mit kleinen Unterschieden oder Messfehlern) schwierig zu interpretieren sind.

Klasse 7

2.3.2 Naturwissenschaftliches Strukturmodell zur Erkenntisgewinnung nach MAYER

(2007)

MAYER (2007) definiert aus biologiedidaktischer Perspektive die Güte der Problemlösung

naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung als ein Zusammenspiel der Qualitäten des

komplexen Prozesses, der Personenvariablen und Situationsvariablen. Das daraus resultie-

rende Strukturmodell (s. Abb. 3) bedarf einer Bestätigung anhand definierter Konstrukte.

MAYER (2007) erweitert das Modell um das Konstrukt Fragestellung formulieren, so dass sich

vier Teilkompetenzen ergeben: Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung

eines Experiments und Daten auswerten/Schlussfolgerungen ziehen. Empirische Untersu-

chungen ergaben folgende Befunde für Personen-, Situations- und Prozessvariablen.

26


Abbildung 3: Strukturmodell zum wissenschaftlichen Denken (scientific reasoning) (MAYER

2007, S. 181)

Für die Prozessvariablen wurden in Studien (KUHN ET AL 1988; MAYER ET AL. 2007 aus

MAYER 2007) signifikante Zusammenhänge zwischen der Problemlösefähigkeit und dem

konzeptuellen Vorwissen deutlich. Wissen erweist sich dabei als träger Faktor (HASSELHORN

2009, S. 272), der in der Problemsituation nicht genutzt wird. Die Schüler neigen zur Ver-

wendung von Alltagserfahrungen und weniger zur Verbindung zwischen Fragestellung mit

Beobachtungen oder Erklärungen. Deklarative Vereinfachung bei kognitiver Überforderung

folgt. Weiterhin werden leichte Korrelationen im Bereich Methodenverständnis und Problem-

lösekompetenz aufgezeigt. Tendenzen zeigen, dass bei höherer Methodenkompetenz die

Problemlösekompetenz höher ausfällt, ebenso im umgekehrten Fall (MAYER 2007).

Situationsmerkmale sind insbesondere durch die Präsentationsart geprägt. Offene Aufgaben,

mulitple choice oder praktische Experimentieraufgaben wurden dabei angewendet. Untersu-

chungen von MAYER ET AL. (2007, aus MAYER 2007) ergeben jedoch, dass bei Variation der

Aufgaben im Format bei gleichem Inhalt zwar Unterschiede im Schwierigkeitsindex vorhan-

den sind, es aber zu prinzipiell gleichen Befunden kommt. Deutlicher werden die Unterschie-

de in offenen und kollaborativen Experimentieraufgaben. Bei offenen Problemsituationen ist

das Vorgehen beim Experimentieren unsystematisch. „Beobachtung und Vermutung ziehen

nur selten experimentelle Fragestellungen und Versuchsplanungen nach sich“ (MAYER 2007,

S. 182). Oftmals werden kurze, pragmatische Lösungen gesucht, d. h. die Lernenden gehen

nach der Methode trial-and-error vor. Im kollaborativen Kontext werden höhere Leistungen

erzielt, die allerdings von der sozialen Dynamik überlagert werden können (MAYER 2007, S.

182).

27


Die Prozessvariablen werden durch die Anwendung und Umsetzung der einzelnen Teilkom-

petenzen des Experimentierens deutlich und bestehen aus den Teilkompetenzen naturwis-

senschaftliche Frage formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines Experiments und

Daten auswerten/Schlussfolgerungen ziehen. Demnach beschreibt MAYER (2007) vier Teil-

kompetenzen, die in der Folgestudie von GRUBE (2010) empirisch evaluiert wurden.

Zusammenfassend wird festgehalten, dass die Teilkompetenzen in den verschiedenen Mo-

dellen zwischen drei und vier variieren. Weitestgehende Übereinstimmungen bestehen be-

züglich der Teilkompetenzen Hypothesen generieren, Planung eines Experiments sowie Da-

ten auswerten. Der Teilkompetenz Fragestellung formulieren wird von einigen Autoren eine

besondere Bedeutung zugesprochen (MAYER ET. AL 2008, Grube 2010). Weitere Modelle

berücksichtigen die Teilkompetenz Fragestellung formulieren hingegen nicht (KLAHR,

DUNBAR 1998; GOTT, DUGGAN 1998, HAMMANN 2004). Offen bleibt demnach die Frage hin-

sichtlich der Bedeutung der Fragestellung für das geographische Experiment sowie der

Transferierung der aufgeführten Theoriemodelle auf die Geographiedidaktik.

OTTO ET. AL. (2010) argumentiert auf inhaltlich-thematischer Grundlage, wonach der Formu-

lierung einer Fragestellung eine besondere Bedeutung zukommt. Begründet wird dies mit der

Stellung des Faches als Brückendisziplin der Natur- und Gesellschaftswissenschaften und

der fachlichen Auseinandersetzung mit den Wechselwirkungen zwischen Natur und Gesell-

schaft. Um gesellschaftlich relevante Probleme mit der naturwissenschaftlichen Methode des

Experimentierens erarbeiten und Lösungsstrategien entwickeln zu können, muss eine spezi-

fische Fragestellung am Anfang formuliert werden, die mögliche Erklärungen oder Lösungen

für das gesellschaftliche Problem beinhaltet und auf Grundlage derer die Entwicklung einer

naturwissenschaftlich-experimentellen Lösungsstrategie ermöglicht wird. Die Formulierung

einer Fragestellung zu Beginn des Experiments wird als elementar für das geographische

Experiment benannt (OTTO ET. AL. 2010, S. 142 f.). Auf Grundlage der empirischen Studien

(MAYER ET. AL 2008, GRUBE 2010) sowie der Beurteilung von OTTO ET. AL. (2010) bezüglich

des geographischen Experimentes wird in der vorliegenden Arbeit von vier Teilkompetenzen

ausgegangen: a) Fragestellung formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Planung eines

Experiments, d) Daten auswerten.

Zur Teilkompetenz d) werden in der Literatur verschiedene Begrifflichkeiten verwendet. Die-

se variieren zwischen „Analyse von Daten“ (HAMMANN 2004, S. 202) bzw. „Evidenzen analy-

sieren“ (HAMMANN 2007, 36 ff.), „Deutung“ (GRUBE 2010, S. 5 ff.) und „Daten auswerten“

(HOF 2011, S. 62). In der vorliegenden Forschungsarbeit wird der Begriff – Daten auswerten

– für die abschließende Analyse der Beobachtungen (Teilkompetenz d) verwendet. Bei Zita-

ten werden ggf. die von den Autoren verwendeten Begriffe aufgeführt.

28


2.4 Experimentieren im Geographieunterricht

Der Begriff Experiment wird in den Wissenschaften vielfach definiert. Im Folgenden wird auf

die Definitionen und Kriterien der Geographiedidaktik eingegangen.

2.4.1 Kriterien eines geographischen Experiments

BREITBACH (1999) definiert das Experiment als „ein Verfahren zur überprüfbaren Ermittlung

von Einsichten in einen geographisch relevanten, regelhaften und meist auf Naturphänome-

ne bezogenen Vorgang. Dieser wird zunächst isoliert, künstlich an einem Modell oder geeig-

neten Objekt erzeugt, dann beobachtet und anschließend erklärt“ (BREITBACH 1999, S. 41).

LETHMATE (2006) schärft die Definition: „Experimente sind Mittel zur empirischen Erkenntnis-

gewinnung. Experimentieren heißt […] angemessene und eindeutige Fragen an die Natur

stellen, experimentieren ist das Fortführen von Beobachtungen unten künstlich veränderten

und kontrollierten Bedingungen […]. Einzelne Einflussfaktoren eines Vorgangs werden iso-

liert, systematisch variiert und kontrolliert. Ein Experiment erfordert demnach drei Kriterien:

(1) Beobachtung unter künstlich hergestellten Bedingungen, (2) Isolation, (3) Variation“

(LETHMATE 2006, S. 5). LETHMATE (2006) führt explizit drei Kriterien für ein Experiment an,

die auch in der Definition von OTTO (2009) genannt werden: „Ein Experiment ist eine plan-

mäßige, grundsätzlich wiederholbare Beobachtung von natürlichen und auch gesellschaftli-

chen Vorgängen unter künstlich hergestellten, möglichst veränderbaren Bedingungen. Es

verfolgt den Zweck, durch Isolation, Kombination und Variation von Bedingungen eines Phä-

nomens bzw. Objekts reproduzierbare und kontrollierbare Beobachtungen zu gewinnen, aus

denen sich Regelmäßigkeiten und allgemeine Gesetzmäßigkeiten ableiten lassen. Ein Expe-

riment kann beliebig oft wiederholt werden“ (OTTO 2009, S. 4). Demnach erweitert OTTO

(2009) die Kriterien eines Experiments. Er benennt die (4) Reproduzierbarkeit, d. h. die Wie-

derholbarkeit der Experimentierergebnisse bei gleichen Bedingungen, (5) Kontrollexperimen-

te zur Vermeidung konkurrierender Erklärungen sowie (6) das Aufdecken kausaler Wir-

kungszusammenhänge zur Ableitung von Regelmäßigkeiten und allgemeinen Gesetzmäßig-

keiten (OTTO 2009, S. 4 f.). Weiterhin werden zwei thematische Anwendungsgebiete diffe-

renziert: „In der Regel sind naturwissenschaftliche Experimente im Geographieunterricht da-

durch gekennzeichnet, dass sie a) explizite geographische und andere geowissenschaftliche

Aspekte und Prozesse untersuchen und/oder b) maßgeblich physikalische, chemische und

biologische Phänomene thematisieren, die aus dem Kontext einer geographischen (chrono-

logischen), gesellschaftlich relevanten Problemstellung erwachsen“ (OTTO ET AL. 2011, S.

101). Ein naturwissenschaftlich-geographisches Experiment kann demnach entweder direkt

einen geographischen Sachverhalt behandeln oder es besteht die Möglichkeit durch bei-

spielsweise chemische oder physikalische Gesetzmäßigkeiten geographische Phänomene

29


zu erklären. Ein Beispiel dafür ist die Dichte von Wasser bei Unterschieden in der Tempera-

tur oder dem Salzgehalt. Hydrogeographische Phänomene können durch Einbezug von

chemischen bzw. physikalischen Gesetzmäßigkeiten erklärt werden.

Irrtümlich werden oftmals die Begriffe Versuch und Experiment synonym verwendet. Basie-

rend auf den Definitionen, müssen die Kriterien eines Experimentes erfüllt sein. Um die be-

griffliche Unschärfe zu verdeutlichen, wird in der Geographiedidaktik auch von experimentel-

le Lernform im Kontext des Experimentes gesprochen (WILHELMI 2012, S. 5). Als experimen-

telle Arbeitsweisen werden zudem Beobachten, Untersuchen und Modellieren aufgeführt

(OTTO 2009, S. 5). Dabei ist die Beobachtungsfähigkeit eine Voraussetzung des Experimen-

tierens.

2.4.2 Experimenteller Algorithmus

Der experimentelle Verlauf, auch als „experimenteller Algorithmus“ (DRIELING 2006, S. 18;

OTTO ET AL. 2011, S. 107) bezeichnet, entspricht mit leichten Variationen sowohl in anderen

naturwissenschaftlichen Fachdisziplinen (Z. B. LABUDDE 2010; S. 135) als auch in der Geo-

graphiedidaktik einem typischen Verlauf.

Abbildung 4: Phasen und Arbeitsschritte des Experimentierens im Geographieunterricht (ver-

ändert nach OTTO ET AL. 2011, S. 107; MÖNTER, HOF 2012, S. 297)

30


o Problemfindungsphase: Zu Beginn eines Experiments steht die Beobachtung eines Phä-

nomens, Problems oder Sachverhalts. An dieser Stelle müssen die Schülerinnen und

Schüler die experimentelle Methode des Beobachtens beherrschen, um eine naturwis-

senschaftlich überprüfbare Fragestellung zu entwickeln. „Methodologisch steht die Fra-

gestellung vor der Hypothese, weil sie weiter gefasst und nicht im Hinblick auf empirisch

überprüfbare Fragen oder ein spezielles Experimentdesign formuliert wird“ (OTTO ET AL.

2011, S. 100).

o Planung: In Phase 2 des experimentellen Algorithmus werden die Hypothesen formuliert.

„Eine Hypothese ist eine begründete Annahme, die empirisch überprüfbar ist und dem-

entsprechend formuliert sein muss“ (OTTO ET AL. 2011, S. 101). Die Hypothese ist, im

Gegensatz zur Fragestellung, eine Aussage oder Voraussage (MÖNTER, HOF 2012, S.

298). Zur Hypothese (1) wird eine Gegenhypothese (0) formuliert. HAMMANN (2004) ord-

net die abschließende Hypothesenrevision der Phase ‚Suche im Hypothesen-Suchraum’

(Hypothesen generieren/revidieren) zu und OTTO ET AL. (2011) dem Kompetenzbereich

Auswertung und Interpretation (s. u.).

o Durchführung: Sie erfolgt in der Regel in kooperativen Unterrichtsformen unter Beachtung

der Kriterien eines Experiments wie Kontrollansatz oder, wenn möglich, Variation. Neben

der Protokollierung müssen Reproduktion und Transsubjektivität beachtet werden (OTTO

ET AL. 2011, S. 103; MÖNTER, HOF 2012, S. 299 f.).

o Auswertung und Interpretation: Nach OTTO ET AL. (2011) erfolgt im vierten Schritt die

Auswertungs- und Interpretationsphase. Die Hypothesenfalsifizierung sowie der Rückbe-

zug auf die Problemfrage charakterisieren die Auswertungsphase und schließen den Zir-

kel. Die Interpretation ist dabei von den Ergebnissen zu trennen. In der Interpretation er-

folgt die Methodendiskussion, die Übertragung auf andere Beispiele und gegebenenfalls

Formulierungen neuer Hypothesen (OTTO ET AL. 2011, S. 104 f.).

Der experimentelle Algorithmus spiegelt die Phasen des problemlösenden Lernens nach

RINSCHEDE (2007) wider. Die (1) Problemfindungsphase impliziert das (authentische) Pro-

blem, die Konfrontation der Lernenden mit der Problemstellung. Im Experimentierprozess

wird sie konkret in Form einer Fragestellung formuliert. Die Phase der Hypothesenbildung

entspricht Phase (2) Planung. Die Planung der Lösungsstrategie entspricht der Phase (3)

Durchführung und der bewussten Anwendung von Operatoren (z.B. Variablenidentifikation,

Variation und Kontrollansatz), um ein Problem anhand der Methode des Experimentes (Ex-

perimentierraum) zu lösen. Zur Problemlösung wird die Planung in der Durchführungsphase

praktisch umgesetzt. Die Informations- bzw. Datengewinnung zur Falsifizierung bzw. Verifi-

zierung der Hypothesen erfolgt demnach in der Durchführung, so dass in der abschließen-

31


den Phase (4) zunächst die Hypothesenrevision und anschließend die Gültigkeitsüberprü-

fung erfolgen können.

2.4.3 Angeleitetes Experimentieren

„Das angeleitete, gelenkte Üben bereitet das selbstständige Üben vor“ (HASSELHORN, GOLD

2009, S. 244). Neben Hilfen zur Beantwortung der Fragen können zusätzliche Erklärungen

oder Hilfestellungen geboten werden. Auch sollten alle Schülerinnen und Schüler ihre erwor-

benen Kenntnisse und Fähigkeiten, eventuell durch Verschriftlichung, am Ende der Lernse-

quenz vorliegen haben (HASSELHORN, GOLD 2009, S. 244). Auch aus naturwissenschaftsdi-

daktischer Perspektive wird die offene Unterrichtsform nach ausreichender Hinführung zur

Methode empfohlen (REINHOLD 1997; MAYER, ZIEMEK 2006, S. 9). PESCHEL (2008) klassifi-

ziert in GOFEX (Grundschullabor für offenes Experimentieren) fünf Module der Offenheits-

stufung beim Experimentieren, die im ersten Schritt mit dem angeleiteten und gesteuerten

Vorgehen beginnen (PESCHEL 2008, S. 2). Auch aus geographiedidaktischer Sicht fordern

OTTO ET AL. (2011), MÖNTER und HOF (2012) und WILHELMI (2012) eine Hinführung der Ler-

nenden zur Methode des Experimentierens in allen Teilbereichen (s. Tab. 7). Bezogen auf

die Methode des Experimentierens, wird die angeleitete Unterrichtsform vor allem als

„…rezeptartige […] Einstiegsvariante genutzt“ (OTTO ET AL. 2011, S. 106). Als Hinführung zur

Methode können vorstrukturierte Arbeitsmaterialien verwendet werden, die als Orientierung

dienen.

Tabelle 7: Grade der Schülerselbstständigkeit beim experimentellen Lernen (WILHELMI 2012, S.

6 verändert nach MAYER, ZIEMEK 2006, S. 9)

Grad Geographische Fragestellung/ Hypothesenentwick-lung

Planung Durchfüh-rung/ Auswertung

Interpretation/ Reflexion

1 Lehrer Lehrer Lehrer Lehrer

2 Lehrer Lehrer/Schüler Schüler Lehrer/Schüler

3 Lehrer/Schüler Schüler/Lehrer Schüler Schüler/Lehrer

4 Schüler/(Lehrer) Schüler Schüler Schüler

5 Schüler Schüler Schüler Schüler

OTTO ET AL. (2011) und MÖNTER und HOF (2012) differenzieren den Öffnungsgrad der Ei-

genverantwortlichkeit in drei Stufen a) imitatorisches Experimentieren, b) organisatorisches

Experimentieren, c) konzeptionelles Experimentieren (s. Abb. 5).

32


Abbildung 5: Grad der Hilfestellung durch Lehrerinnen und Lehrer bzw. Grad der Eigenver-

antwortlichkeit der Schülerinnen und Schüler beim angeleiteten und offenen Experimentieren

(verändert nach OTTO ET AL. 2011, S. 105; MÖNTER und HOF 2012, S. 305)

Die Eigenverantwortlichkeit nimmt vom imitatorischen Experimentieren, das durch rezeptarti-

ges Abarbeiten charakterisiert ist, hin zum organisatorischen Experimentieren zu. Die orga-

nisatorische Variante beinhaltet eigenständige Durchführungen einzelner Phasen. Beim kon-

zeptionellen Experimentieren wird der höchste Öffnungsgrad erreicht, da die Lernenden den

experimentellen Algorithmus selbstständig vollziehen (OTTO ET AL. 2011, S. 106).

2.4.4 Offenes Experimentieren

Das selbstständige Üben soll erst dann erfolgen, wenn die Schülerinnen und Schüler eine

hinreichende Festigung der Inhalte oder Methode erlangt haben (HASSELHORN, GOLD 2009,

S. 246). PESCHEL (2003) definiert den offenen Unterricht anhand von fünf Dimensionen: or-

ganisatorisch, methodisch, inhaltlich, sozial und persönlich (PESCHEL 2003, S. 78). Benannt

werden die Selbst- und Mitbestimmung der Schülerinnen und Schüler hinsichtlich der Me-

thoden- und Durchführungswahl sowie der Inhalte und Themen (APEL 2002, S. 221, BOHL

2003, S. 3). BOHL (2003) betont im Kontext des offenen Unterrichts die methodischen

Grundprinzipien (übendes, vertiefendes, erarbeitendes- und zunehmend entdeckendes, pro-

blemlösendes, handlungsorientiertes, selbstverantwortetes, selbstständiges und kooperati-

ves Lernen) (PRIEMER 2011, S. 316). Mit der Öffnung des Unterrichts geht die Zunahme der

Selbstständigkeit der Lernenden einher.

33


MAYER und ZIEMEK (2006) benennen die Offenheit als ein Element des forschenden Lernens.

Auch aus der Perspektive der Physikdidaktik kommt der Öffnung eine besondere Bedeutung

zu. Im Weiteren wird das offene Experimentieren primär aus der Perspektive der Physikdi-

daktik betrachtet, da vergleichbare Ausführungen zum offenen Experimentieren aus dem

Bereich der Geographiedidaktik nicht vorliegen und von zentraler Bedeutung in der vorlie-

genden Forschungsarbeit sind. Hinsichtlich der Methode des offenen Experimentierens defi-

niert PRIEMER (2011) die Offenheit durch sechs Dimensionen: Fachinhalt, Strategie, Metho-

de, Lösung, Lösungsweg und Phase. Der Grad der Offenheit der einzelnen Dimensionen

wird anhand einer zwei bis drei Stufen umfassenden Graduierung differenziert (s. Abb. 6).

Abbildung 6: Die Dimensionierung und Graduierung des offenen Experimentierens im Über-

blick (PRIEMER 2011, S. 325)

Die Offenheit der a) Fachinhalte graduiert PRIEMER (2011) „dadurch, dass der Fachinhalt

entweder genau vorgegeben ist, mehrere Fachinhalte zur Wahl gestellt werden oder dass

keinerlei Vorgaben gemacht werden“ (PRIEMER 2011, S. 326). Die b) Strategie wird durch die

Aspekte der qualitativen, quantitativen Vorgehensweisen sowie des Designs klassifiziert. Die

Öffnung erfolgt durch die Verminderung der Anleitung des Vorgehens. Demnach wird bei

einem geringen Öffnungsgrad direkte Instruktion erteilt, die durch Hilfestellungen geöffnet

werden kann und durch die Vermeidung von Vorgaben oder vorstrukturierten Arbeitsmateria-

lien das höchste Maß erreicht. Die Umsetzung im Unterricht erfolgt durch die c) Methode, die

von der vorgegebenen zur vorskizzierten Variante hin zum Vorgabenverzicht ihre Offenheit

entfaltet. Darunter werden auch die Materialien verstanden. So kann die Lehrkraft den Ler-

nenden eine passgenaue Materialkiste bereitstellen, die das Vorgehen anleitet. Weiterhin

kann ein Auswahlpool, z. B. in Form eines Materialtisches, vorbereitet werden, der eine Ma-

34


terialauswahl darstellt und somit eine Vorselektion beinhaltet. Das höchste Maß der Offen-

heit wird dahingehend erreicht, dass die Materialien frei wählbar sind und ggf. durch die

Lehrkraft besorgt werden. Die vierte Dimension, d) Lösung, wird durch die Anzahl der mögli-

chen Lösungen charakterisiert. Gibt es nur eine Lösung, wird von konvergent gesprochen,

bei mehreren Lösungsmöglichkeiten von divergenten (MAIER ET AL. 2010 aus PRIEMER 2011,

S. 328). Mit der Dimension e) Lösungsweg erweitert PRIEMER (2011) den Ansatz von MAIER

ET AL. (2010) und benennt diesen als ein Prüfkriterium für die Offenheit eines Experimentes.

„Denn existiert nur ein einziger Lösungsweg, kann nicht mehr im eigentlichen Sinn von Of-

fenheit gesprochen werden“ (PRIEMER 2011, S. 329). Die letzte Dimensionierung umfasst die

f) Phasen. So stellt sich die Frage, inwiefern Anleitung und Instruktion in den einzelnen Pha-

sen des Experiments (Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines

Experiments, Durchführung, Daten auswerten und Interpretation) erfolgen. Das Vorgehen

kann vorgegeben werden und erhält ein höheres Maß an Offenheit durch Vorskizzierung.

Werden keine Vorgaben in den einzelnen Phasen des Experimentes gemacht, ist das höch-

ste Niveau der Offenheit erreicht. Demnach kann die Öffnung der Phasen in jedem Schritt

des experimentellen Algorithmus erfolgen (PRIEMER 2011, S. 329).

2.4.5 Problemlösendes Lernen und Experimentieren

Entsprechend der theoretischen Grundlage ist das problemlösende Lernen durch fünf Prinzi-

pien definiert: entdeckende, problemorientierte, selbstgesteuerte, kooperative und situierte

Lernumgebungen (z. B. MANDL 2003, S. 10, HASSELHORN, GOLD 2009, S. 262ff.). Gemäß der

methodischen Basis des Experimentierens sollte eine Entwicklung vom angeleiteten zum

offenen Unterrichtsverlauf erfolgen (OTTO ET AL. 2011), bei der die Offenheit durch sechs

Dimensionen und entsprechende Graduierung klassifiziert ist (PRIEMER 2011, S. 325). Das

angeleitete Experimentieren wird somit in der vorliegenden Arbeit durch problemlösendes

Lernen, verstärkte Instruktion, Anleitung und Vorgaben seitens des Lehrers definiert (s. Tab.

8).

35


Tabelle 8: Problemorientiertes Lernen und angeleitetes Experimentieren

In der Dimension ‚Phase’ können kooperative Arbeitsweisen z. B. in der gemeinsamen Pla-

nung und Durchführung des Experiments erfolgen. Dennoch werden die weiteren Dimensio-

nen (Fachinhalt, Strategie, Methode, Lösung, Lösungsweg) durch die Lehrkraft vorgegeben.

Die selbstständige Konstruktion des Wissens durch aktive Generierung, wie es beispielswei-

se beim entdeckenden Lernen gefordert wird (HASSELHORN, GOLD 2009, S. 262), kann bei

der Hinführung zur Experimentiermethode durch angeleitetes Vorgehen nicht umgesetzt

werden. Insgesamt sind die Dimensionen durch eine hohe Instruktion und Anleitung seitens

der Lehrkraft und eine geringe Selbstständigkeit seitens der Lernenden gekennzeichnet.

Durch die Öffnung der Gradierung der Experimentierdimensionen erhöht sich zugleich die

Eigenständigkeit. Die Schüleraktivierung resultiert in der selbstständigen Konstruktion des

methodischen Vorgehens sowie der Wissensgenerierung durch die Einschränkung der In-

struktion. Die Instruktion wird durch Hilfestellungen ersetzt und mündet schließlich in selbst-

gesteuertem, aktivem Lernen mit authentischem Problem durch kooperative Lernumgebun-

gen (s. Tab. 9).

Problemlösendes Lernen (Grad der Schülerselbstständigkeit und Aktivierung)

aktiv konstruierend selbstgesteuert kooperativ Fachinhalt Lehrer

(ein Fachinhalt vorgegeben;

Schülern passiv)

Lehrer (Schüler

fremdgesteuert)

Lehrer (ein Fachinhalt

vorgegeben; mögliche Einzelarbeit)

Strategie Lehrer (Strategie

vorgegeben; Schüler passiv)

Lehrer (Schüler

fremdgesteuert)

Lehrer (direkte Instruktion;

mögliche Einzelarbeit)

Methode Lehrer (Methode


Lehrer (Schüler

fremdgesteuert)

Lehrer (Methode

vorgegeben; Einzelarbeit)

Lösung Lehrer (eine Lösung;

Schüler passiv)

Lehrer (Schüler

fremdgesteuert)

Lehrer (eine Lösung;

mögliche Einzelarbeit) Lösungs-

weg Lehrer

(ein Lösungsweg; Schüler passiv)

Lehrer (Schüler

fremdgesteuert)

Lehrer (ein Lösungsweg;

mögliche Einzelarbeit)

Ang

elei

tete

s Ex

perim

entie

ren

(Gra

de d

er O

ffenh

eit)

Phase Lehrer (Vorgehen


Lehrer (Mischform)

Lehrer/Schüler (vorgegeben Phasen; mögliche Einzelarbeit

oder kooperativ)

36


Tabelle 9: Problemorientiertes Lernen und offenes Experimentieren

Problemorientiertes Lernen (Grad der Schülerselbstständigkeit und Aktivierung)

aktiv konstruierend selbstgesteuert kooperativ

Fachinhalt Schüler (keine Vorgabe zum

Fachinhalt; Schüler aktiv)

Schüler (selbstgesteuert)

Schüler (keine Vorgabe;

kooperativ) Strategie Schüler

(keine Vorgabe zur Strategie; Schüler aktiv)



kooperativ) Methode Schüler

(keine Vorgabe zur Methode; Schüler aktiv)



kooperativ) Lösung Schüler

(mehrere Lösungen; Schüler aktiv)


Schüler (mehrer

Lösungswege; kooperativ)

Lösungs-weg

Schüler (mehrere Lösungswege;

Schüler aktiv)


Schüler (mehrere Lösungen;

kooperativ)

Offe

nes

Expe

rimen

tiere

n (G

rade

der

Offe

nhei

t)

Phase Schüler (keine Vorgabe zum

Vorgehen; Schüler aktiv)



kooperativ)

2.5 Stand der Forschung

2.5.1 Defizite beim Experimentieren

Lernende weisen spezifische Defizite innerhalb der einzelnen Teilkompetenzen (Fragestel-

lung formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines Experiments, Daten auswerten)

auf, die in verschiedenen nationalen und internationalen Studien empirisch belegt werden.

Aus dem Bereich der pädagogischen Psychologie wird insbesondere die Studie von DE JONG

und VAN JOOLINGEN (1998) aufgeführt. Aus den Didaktiken der Naturwissenschaften liegen

ebenfalls zahlreiche Befunde zur Methode vor (z. B. HAMMANN 2004; GRUBE 2010; HOF

2011; MAYER ET AL. 2008).

o Fragestellung formulieren

GRUBE (2010) benennt die Formulierung einer naturwissenschaftlichen Frage als problemati-

sche Teilkompetenz für Lernende. Auch mit Blick auf die PISA-Studien verdeutlichen

PRENZEL ET AL. (2006) die Schwierigkeit deutscher Schülerinnen und Schüler, eine naturwis-

senschaftliche Fragestellung zu erkennen. Die Probanden erreichen in der Teilkompetenz

‚naturwissenschaftliche Fragestellungen’ den niedrigsten Kennwert, was darauf zurückge-

führt wird, dass sie mit diesem Kompetenzbereich am wenigsten vertraut sind. MAYER ET AL.

(2008) kommen in der Studie zum Kompetenzmodell naturwissenschaftlicher Erkenntnisge-

37


winnung ebenfalls zu den Befunden, dass die Leistungen der Schülerinnen und Schüler in

den Kompetenzbereichen ‚Fragestellung formulieren’ sowie ‚Planung eines Experiments’

geringer sind als in den Kompetenzbereichen ‚Hypothesen generieren’ und ‚Daten auswer-

ten’. Die Ursache könnte nach Angaben der Autoren darin liegen, dass bei den Kompetenz-

bereichen Hypothese generieren und Daten auswerten auf bereits bekannte Konzepte wie

das Fachwissen oder fachspezifische Konzepte zurückgegriffen werden kann. Dies ist bei-

spielsweise bei der Formulierung einer naturwissenschaftlichen Fragestellung kaum möglich.

Weiterhin nennt GRUBE (2010) das epistemologische Verständnis im Zusammenhang mit der

Teilkompetenz ‚Fragestellung formulieren’ als besonders schwierigkeitsinduzierend und da-

mit als Grund für den niedrigen Leistungsstand. „Bei der Entwicklung einer naturwissen-

schaftlichen Fragestellung müssen die Lernenden eine Vorstellung davon besitzen, was die-

se von einer nicht-naturwissenschaftlichen Frage unterscheidet“ (GRUBE 2010, S. 90.).

o Hypothesen generieren

DE JONG und VAN JOOLINGEN (1998) identifizieren im Kompetenzbereich ‚Hypothesen gene-

rieren’ drei Problemfelder. (a) „An important problem here is that learners […] simply may not

know what a hypothesis should look like” (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S. 183). Demnach

wissen Schülerinnen und Schüler nicht, wie Hypothesen aufgestellt werden. Der zweite Pro-

blemteilbereich wird der (b) Hypothesenrevision zugeschrieben. Die Verifikation bzw. Falsifi-

kation der Hypothesen erfolgt nicht auf Grundlage der gesammelten Daten. Der dritte Pro-

blemteilbereich wird als (c) „fear of rejection“ (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S. 184) be-

zeichnet. Demnach kommt es zur Vermeidung der Formulierung von Hypothesen, die als

abwegig und damit als unwahrscheinlich erachtet werden. Unsystematisches Vorgehen so-

wie die gänzliche Vermeidung der Hypothesenformulierung, d. h. Experimentieren ohne

Hypothesen, wurde ebenfalls belegt (HAMMANN 2004, S. 199 f.).

o Planung eines Experiments

DE JONG und VAN JOOLINGEN (1998) beschreiben vier Problemteilbereiche beim Planen eines

Experiments. (a) „Confirmation bias“ (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S. 184) beschreibt da-

bei die Tendenz Informationen zu suchen, die die Hypothese bestätigen. Somit werden nicht

Informationen zur eventuellen Widerlegung der Hypothese gesucht, also weitreichendere

Informationen, sondern gezielt solche, die die eigene Annahme bestätigen. Im zweiten Pro-

blemteilbereich werden (b) nicht zufriedenstellende Experimente benannt (DE JONG, VAN

JOOLINGEN 1998, S. 185). GLASER ET AL. (1992) benennen das Problemfeld, dass zu viele

Variablen variiert werden und demzufolge keine Rückschlüsse aus dem Experiment gezogen

werden können. Der dritte Problemteilbereich beschreibt das (c) ineffiziente Experimentier-

verhalten (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S. 185). In Anlehnung an eine Studie von KUHN ET

38


AL. (1992) wird deutlich, dass nicht die gesamte Breite an Informationen zur Planung des

Experimentes genutzt wird, sondern nur ein beschränkter Ausschnitt. Dieses Experiment

wird dann jedoch wiederholt durchgeführt. Im Problemteilbereich 4 wird aufgezeigt, dass (d)

Experimente geplant werden, die nicht geeignet sind, die zuvor formulierten Hypothesen zu

überprüfen (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S. 185). Auch HAMMANN (2004) bestätigt, dass

Schülerinnen und Schüler beim Planen unsystematisch vorgehen. Variablen werden konfun-

diert, d. h. falsch variiert oder falsch zugeordnet. Die Studie von SIEGLER und LIEBERT (1975)

belegt, dass gerade jüngere Schülerinnen und Schüler im Alter von 10 Jahren Probleme mit

dem systematischen Vorgehen in einem Experiment haben. Oftmals wird nach dem trial-and-

error-Prinzip vorgegangen. Dabei beschreibt HAMMANN (2004), dass Schülerinnen und Schü-

ler bereits in der Primarstufe fähig sind, metakognitive Leistungen zu erbringen, um aus Evi-

denzen Kausalitäten abzuleiten, und dass sie das systematische Variieren und Kontrollieren

von Variablen erlernen können. Das Problem liegt bei fehlerhaften Schülervorstellungen zur

Methode des Experimentierens (HAMMANN 2004, S. 199).

o Daten auswerten

DE JONG und VAN JOOLINGEN (1998) beschreiben insbesondere zwei Problemteilbereiche

beim Auswerten und Interpretieren von Daten. Zum einen werden (a) aus Daten falsche

Rückschlüsse gezogen. KLAHR und DUNBAR (1988) kommen ebenfalls zu dem Ergebnis,

dass fehlerhafte Schlussfolgerungen aus Ergebnissen gezogen werden. Zum anderen (b)

haben Lernende bei der Auswertung von graphischen Darstellungen und Diagrammen Pro-

bleme. KLAHR ET AL. (1993) bestätigen insbesondere den Problemteilbereich 1. Gestärkt

werden die Erkenntnisse des Problemteilbereichs 2 durch die Studie von LACHMAYER ET AL.

(2007), die zu dem Ergebnis kommen, dass Schülerinnen und Schüler bei Text- und Gra-

phikanteilen Verständisprobleme aufweisen.

2.5.2 Offenes und angeleitetes Experimentieren

Angeleitete und offene Experimentierumgebungen werden in verschiedenen Studien unter-

sucht. Dabei werden verschiedene Aspekte für und gegen offene Lernsituationen deutlich.

Demnach sprechen KIRSCHNER ET AL. (2006) gegen offene Lernumgebungen und für direkte

Instruktionen, da das Kurzzeitgedächtnis die Informationsverarbeitung nicht bewältigen kann

und die Übertragung ins Langzeitgedächtnis problematisch ist. Als Resultat wird ein geringe-

rer Lernzuwachs aufgeführt. HOF (2011) untersucht in einer Interventionsstudie Probanden

differenziert in zwei Experimentalgruppen, die in a) angeleiteten und b) offenen Lernumge-

bungen mit dem Ansatz des forschenden Lernens unterrichtet werden. Die Kontrollgruppe

wird hingegen im fragend-entwickelndem Ansatz unterrichtet. Als Ergebnis wird berichtet,

dass im Kurzzeitgedächnis die Experimentalgruppe mit offener Lernumgebung einen höhe-

39


ren Kompetenzerwerb verzeichnet, im Fachwissen dieser jedoch nicht langfristig wirkt. Dem-

gegenüber belegen Studien, dass durch offene Lernumgebungen ein höherer Lernzuwachs

bei Schülerinnen und Schülern erreicht werden kann. WALPUSKI und SUMFLETH (2007) ver-

zeichnen in ihrer Interventionsstudie zur experimentellen Kleingruppenarbeit im Chemieun-

terricht einen hohen Lernerfolg durch offene Lernformen bei Schülerinnen und Schülern, die

durch Nachfragen während der Experimentierphase Hilfestellung erhielten. SADEH und ZION

(2012) untersuchen in ihrer Studie Schülerinnen und Schüler im Fach Biologie an einer

Highschool in Israel. Es werden zwei Gruppen gebildet, um der Frage nachzugehen, ob of-

fene oder angeleitete Unterrichtsmethoden effektiver sind. Als signifikante Resultate sind zu

verzeichnen, dass die offen unterrichteten Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppen

nach der Durchführung eine größere Zufriedenheit mit der eigenen Leistung verbinden. Au-

ßerdem setzen sie die Umsetzung und Implementierung des Projektes in einen größeren

Zusammenhang, verbunden mit einem höheren individuellen Lernzuwachs. Auf der anderen

Seite empfinden die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe den Zeitaufwand größer,

um ihr Projekt zu dokumentieren, ebenso wie die Durchführung der ersten Phase, die die

Ergründung des Phänomens sowie die Formulierung der Fragestellung beinhaltet (SADEH,

ZION 2012, 831 ff.).

2.5.3 Alter

Mit Blick auf das Alter der Probanden zeigt die TIMSS Studie, dass nur etwa 10 bis 16 % der

Schülerinnen und Schüler bis zum Ende der 8. Klasse einfache experimentelle Anordnungen

verstehen (aus HAMMANN 2004, S. 197). Mit gezielten Förderungen können jedoch bereits im

Grundschulalter 7- bis 10-jährige Schülerinnen und Schüler die Grundstrategien zum Ent-

wickeln logischer Experimente erlernen. Dies zeigen CHEN und KLAHR (1999) in einer Studie

mit 87 Schülerinnen und Schülern im Grundschulbereich (grade 3 and 4). Die Schülerinnen

und Schüler können demnach nach der Intervention zwischen logischen und unlogischen

Experimenten differenzieren und in einfachen Tests die Variablen systematisch variieren

(CHEN, KLAHR 1999, S. 1098). CAREY und EVANS (1989) untersuchten Schülerinnen und

Schüler im Alter von 12 Jahren an Junior Highschools (grade 7) in den USA. Deutlich wird

aufgezeigt, dass die Schülerinnen und Schüler nach einer Intervention fähig sind, systema-

tisch und hypothesengeleitet zu experimentieren (CAREY, EVANS 1989; HAMMANN 2004, S.

199). Gestärkt werden die Erkenntnisse durch die Studie von SIMSEK und KABAPINAR (2010),

die bei 10- bis 11-jährigen Schülerinnen und Schülern das Wissenschaftsverständnis im Zu-

ge des forschenden Lernens mit signifikanten Resultaten fördern konnten.

! 40!

!3 Forschungsfragen und Hypothesen

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3 Forschungsfragen und Hypothesen

Im Zuge der Ergebnisse deutscher Schülerinnen und Schüler in den internationalen Ver-

gleichsstudien kam es zur Reformierung des deutschen Bildungssystems, zu einem Para-

digmenwechsel von der Lernzielorientierung hin zur Kompetenzorientierung (s. Kap. 1 & 2).

Problem- und anwendungsorientierte Ansätze wurden insbesondere in den naturwissen-

schaftlichen Fächern im Zuge der Kompetenzentwicklung gefordert (ARTELT ET AL. 2001, S.

32). Der verstärkten Kompetenz- und Problemorientierung werden die positiven Entwicklun-

gen der PISA-Ergebnisse in den Folgeerhebungen zugesprochen. Somit kam neben dem

Erwerb von Fachwissen dem methodischen Kompetenzerwerb eine elementare Bedeutung

zu, der auch in den 2006 erstmals veröffentlichten geographischen Bildungsstandards für

den Mittleren Schulabschluss Berücksichtigung fand. Es werden konkret Standards im Be-

reich Erkenntnisgewinnung/Methoden formuliert, die problemorientierte/-lösende Unterrichts-

ansätze im Geographieunterricht fordern. Neben der Informationsgewinnung aus traditionel-

len und neuen Medien kommt der eigenen Datengewinnung besondere Bedeutung zu. Diese

können durch Experimente gewonnen werden (DGFG 2007, S. 19). Dem Experiment wird

dabei aus naturwissenschaftsdidaktischer Perspektive ein tragender Wert zugesprochen,

PRENZEL und PARCHMANN (2003) benennen die Methode als didaktischen Königsweg.

Um den umfassenden Forderungen gerecht werden zu können, im Zuge derer eine solide

Grundlage für die Problem- sowie methodische Kompetenzorientierung im Geographieunter-

richt zu schaffen und die Sonderstellung des Faches zu stärken ist, müssen bewährte didak-

tische Konzepte aufgegriffen sowie neue entwickelt und diese der Forderung WEINERTs

(2001) entsprechend überprüft werden. Basierend auf den theoretischen Grundlagen, wird

die übergeordnete Annahme formuliert, dass durch den problemlösenden Unterrichtsansatz

die methodischen Kompetenzen des Experimentierens gefördert werden können.

Fragestellung 1: Zeigen die mit dem problemlösenden Ansatz unterrichteten Schüle-

rinnen und Schüler (Versuchsgruppe) einen höheren Kompetenzzuwachs als die Pro-

banden, die im fragend-gelenkten Ansatz (Vergleichsgruppe) unterrichtet werden?

Hypothese 1: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen

und Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompetenzniveau (positiver Effekt) in der Me-

thode des Experimentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

Grundlage der Hypothese sind nationale und internationale Studien der vergangenen Jahr-

zehnte. In den Studien von WEINSTEIN ET AL. (1982), BREDDERMANN (1983), SHYMANSKY ET

AL. (1990) wurde der Effekt von problemlösenden Unterrichtsformen im Vergleich zu traditio-

nellen Lehrformen untersucht. Ein positiver Effekt wird in den Studien deutlich (Effektstärke

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zwischen 0,26 und 0,35). In einer Metaanalyse untersuchten SCHROEDER ET AL. (2007) eben-

falls experimentelle und quasi-experimentelle Studien und bestätigten den positiven Effekt

von forschendem Lernen, sogar mit einem höheren Effekt (FURTAK ET AL. 2012, S. 302 f.).

EHMER (2008) untersucht aus biologiedidaktischer Perspektive Schülerinnen und Schüler der

Jahrgangsstufe 6, differenziert in zwei Gruppen. Die Experimentalgruppe wurde gezielt in der

naturwissenschaftlichen Methode interveniert und erreichte im Nachtest einen signifikanten

Zuwachs der kognitiven Fähigkeiten. Die Kontrollgruppe erreichte im Nachtest sogar

schlechtere Ergebnisse als im Vortest. Allerdings stand in dieser Studie nicht das problemlö-

sende Lernen im Fokus, sondern verstärkt die Methodenförderung, die Elemente des pro-

blemlösenden Lernens enthielt. In der Studie von HOF (2011) wird in einem experimentellen

Design mit Experimental- und Kontrollgruppen die Lernwirksamkeit des forschenden Lernens

in einer Interventionsstudie untersucht. Die Schülerinnen und Schüler (Experimentalgrup-

pen), die mit dem forschenden Unterrichtsansatz unterrichtet wurden, verzeichnen im Pre-/

Post-Vergleich nach der Intervention ebenfalls einen höheren Lernerfolg im Bereich des wis-

senschaftlichen Kompetenzerwerbs. Auch HWANG ET AL. (2012) zeigen positive Effekte im

Vergleich von problemorientierten zu konventionellen Verfahren, die durch signifikante Un-

terschiede beim Lernerfolg gekennzeichnet sind. Andere Studien belegen einen solchen po-

sitiven Effekt jedoch nicht (REYNOLD 1991; PINE ET AL. 2006).

Hypothese 1.1: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Versuchsgruppe ist langfri-

stig wirksam.

WORTHEN (1973) sprich,t auf der Methode basierend, dem entdeckenden Lernen eher lang-

fristige als kurzfristige Wirkungs- und Behaltensleistungen zu (nach HASSELHORN, GOLD

2009, S. 270). Unter langfristiger Wirkungsleistung wird die Fähigkeit verstanden, die Kom-

petenzen auch nach einem längeren Zeitraum adäquat anwenden zu können. Demgegen-

über steht die kurzfristige Wirkungs- und Behaltensleistung, bei der ein Kompetenzerwerb

nur über einen sehr begrenzten Zeitraum nachweisbar ist, d. h. unmittelbar nach dem Lern-

prozess und nicht über einen längeren Zeitraum. Auch HOF (2011) bestätigt einen Kompe-

tenzzuwachs, sowohl bei angeleiteten als auch bei offen unterrichteten Probanden im for-

schenden Unterrichtsansatz, der langfristig wirkt. Es wird davon ausgegangen, dass der

Kompetenzerwerb auch langfristig zu einem höheren Kompetenzniveau führt. Demgegen-

über benennen KIRSCHNER ET AL. (2006) einen geringeren Lernzuwachs durch die Überfor-

derung des Kurzzeitgedächtnisses und die Übertragung ins Langzeitgedächtnis.

Da ein besonderes Augenmerk auf dem methodischen Kompetenzerwerb der Probanden

liegt, muss dieser differenziert und detailliert analysiert werden. Mit Blick auf die Kompeten-

zen des Experimentierens ist ein Diskussionsfeld eröffnet, das zwischen drei bzw. vier Teil-

kompetenzen variiert. Unter Berücksichtigung der teilweise konvergierenden Erkenntnisse (z.

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B. DUNBAR, KLAHR 1998; HAMMANN 2004; WALPULSKI ET AL. 2008; MAYER ET AL. 2009; OTTO

ET. AL 2010) werden in der vorliegenden Arbeit vier Teilkompetenzen erhoben und individuell

analysiert, beginnend mit der Kompetenz Fragestellung formulieren.

Hypothese 1.2: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen

und Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompetenzniveau (positiver Effekt) in allen

vier Teilkompetenzen des Experimentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

Hypothese 1.3: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Versuchsgruppe ist in allen

vier Teilkompetenzen langfristig wirksam.

Basierend auf den oben aufgeführten Erkenntnissen zum problemlösenden Lernen, wird da-

von ausgegangen, dass die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe einen höheren

Kompetenzerwerb erreichen, der in allen vier Teilkompetenzen zu positiven Effekten führt.

Die Effekte sind zudem in allen vier Teilkompetenzen langfristig wirksam.

Dennoch zeigt die Studie von EHMER (2008) ein differenziertes Ergebnis. Bei Schülerinnen

und Schülern der Jahrgangsstufe 6 wurde zum Verständnis der Experimentiermethode an-

hand einer offenen bzw. halboffenen Aufgabe eine Intervention durchgeführt. Differenziert in

Experimentalgruppe (methodische Fähigkeiten werden gezielt vermittelt) und Kontrollgruppe

(ohne Methodenvermittlung), erreichten die Schülerinnen und Schüler der Experimental-

gruppe im offenen Vorgehen (mit nur geringen Vorgaben) einen signifikant höheren Kompe-

tenzerwerb in der Teilkompetenz Experiment planen, der in der Teilkompetenz Hypothesen

generieren nicht bestätigt werden konnte.

Fragestellung 2: Hat die Lernausgangslage auf die Förderung der Teilkompetenzen

des Experimentierens einen Effekt?

Hypothese 2: Beim problemlösenden Lernen mit der Methode des Experimentierens (Ver-

suchsgruppe) zeigen leistungsstärkere Schüler gegenüber leistungsschwächeren eine er-

höhte Kompetenzentwicklung (positive Effekte).

Die Diskussion um die Benachteiligung leistungsschwächerer Schülerinnen und Schüler ist

ebenso breit wie die dazu vorliegenden Befunde. In der vorliegenden Studie wird der An-

nahme nachgegangen, dass leistungsstärkere Lernende einen höheren Kompetenzerwerb

verzeichnen. Gestärkt wird die Hypothese durch verschiedene Beiträge (HELLER, HANY 1996;

NEBER 1996; SWANSON 1999), die für leistungsschwächere Lernende eine höhere Lenkung

und Anleitung fordern. Auch AUSUBEL (1968, 1974) betont, dass gerade leistungsschwäche-

re Lernende darstellende Methoden und Anleitung benötigen und durch entdeckende Unter-

richtsformen leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler begünstigt werden. SWELLER (1988,

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2004) benennt ebenfalls die Benachteiligung leistungsschwacher Schülerinnen und Schüler

durch Überforderung des Kurzzeitgedächtnisses hinsichtlich des Verarbeitungsvermögens.

Dem stehen allerdings Ergebnisse verschiedener Studien entgegen, die leistungsschwäche-

ren Schülerinnen und Schülern einen positiven Lernerfolg belegen (WERNING, BANNACH

1994; LYNCH ET. AL 2005; HOF 2011).

Eine weitere Kritik AUSUBELs (1968, 1974) liegt darin begründet, dass eine Vernachlässigung

der Wissensinhalte zugunsten der Methodenkompetenz resultiert (HASSELHORN, GOLD 2009,

S. 267). Daher muss der Fachwissenszuwachs Berücksichtigung finden und sollte nicht zu-

gunsten der Methodenkompetenz vernachlässigt werden. Die dritte Forschungsfrage bein-

haltet somit den Aspekt der Wissensinhalte.

Fragestellung 3: Kann mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens neben dem me-

thodischen Erkenntnisgewinn das Fachwissen gefördert werden?

Hypothese 3: Problemlösendes Lernen mit der Methode des Experimentierens (Versuchs-

gruppe) zeigt positive Effekte beim Zuwachs des Fachwissens.

Belege für diese Annahme werden in der Studie von HOF (2011) deutlich, in der Schülerin-

nen und Schüler sowohl im angeleiteten als auch offenen Ansatz des forschenden Lernens

(Experimentalgruppen I und II) gegenüber der Kontrollgruppe mit traditionellem Unterrichts-

ansatz höhere Wissenszunahmen im Fachwissen erreichten. Dem stehen die Argumente

von AUSUBEL (1968, 1974) und KIRSCHNER ET AL. (2006) entgegen, die von einem geringeren

Wissenszuwachs ausgehen.

Weiterhin steht im Fokus der Forschungsarbeit der Aspekt des offenen Experimentierens

durch problemorientierte Unterrichtssituationen. Im Zuge des Paradigmenwechsels zur

Kompetenzorientierung wurden Kompetenzmodelle der naturwissenschaftlichen Methode

entwickelt. Es stellt sich somit die Frage, ob durch offene Lernumgebungen Kompetenzent-

wicklungen erreicht und nachgewiesen werden können.

Fragestellung 4: Welche Kompetenzstufen werden durch offenes Experimentieren

(Versuchsgruppe Teil II) erreicht?

Hypothese 4: Die Probanden erreichen in den Teilkompetenzen ein logisches, adäquates

und systematisches Niveau (Stufe 4).

Offene Lernformen werden in der Studie von HOF (2011) in Vergleich zu angeleiteten Unter-

richtsformen gesetzt. Als Ergebnis wird ein positiver Effekt hinsichtlich des Kompetenzer-

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werbs deutlich. Demnach zeigen Schülerinnen und Schüler in offenen Lernsituationen ein

höheres Kompetenzniveau. SADEH und ZION (2012) untersuchten angeleitete und offene

Lernsituationen des forschenden Lernens und kamen zu dem Ergebnis, dass die in offenen

Lernumgebungen unterrichteten Schülerinnen und Schüler mehr Zeit in die konzeptionelle

sowie praktische Phase investierten, die angeleitet unterrichteten Lernenden hingegen in die

Dokumentation und Auswertung. Auch ROTH und ROYCHOUDHURY (1993) belegen positive

Effekte bei offenen Lernsituationen im Hinblick auf die Kompetenz Planung eines Experi-

ments. Das von HAMMANN (2004) konzipierte Kompetenzentwicklungsmodell basiert auf vier

Stufen, wobei die jeweilige vierte Stufe einem systematischen bzw. adäquaten Vorgehen

entspricht. HAMMANN (2004) führt auf, dass die systematische/adäquate Hypothesengenerie-

rung bzw. Datenauswertung ab Klasse 7 möglich ist, der systematische Umgang mit Varia-

blen in unbekannten Domänen ab der Jahrgangsstufe 6. Eine Studie von CAREY und EVANS

(1989) belegt, dass 12-jährige Schülerinnen und Schüler nach einer Intervention fähig waren,

systematisch und hypothesengeleitet zu experimentieren. Gestärkt werden die Erkenntnisse

durch weitere Studien, z. B. von SIMSEK und KABAPINAR (2010), die bei 10- bis 11-jährigen

Schülerinnen und Schülern das Wissenschaftsverständnis im Zuge des forschenden Lernens

mit signifikanten Resultaten fördern konnten. CHEN und KLAHR (1999) belegen für Schülerin-

nen und Schüler im Grundschulalter ein systematisches Vorgehen hinsichtlich des Variable-

numgangs. Auf Grundlage der Befunde wird davon ausgegangen, dass die Schülerinnen und

Schüler, bei denen am Ende der Jahrgangsstufe 6 eine Intervention stattfand, die Stufe 4

des Kompetenzentwicklungsmodells erreichen.

Anzumerken ist, dass weitere Studien eine solche Annahme wiederlegen. Die TIMSS-Studie

belegt entsprechend, dass die Lernenden im 7. Jahrgang beispielweise noch starke Defizite

im Umgang mit Variablen haben. Weiterhin wird das Kompetenzentwicklungsmodell leicht

modifiziert aufgrund der Erweiterung der Teilkompetenzen durch den Bereich Fragestellung

formulieren und der Anpassung auf die geplante Intervention.

Fragestellung 5: Lassen sich durch die offene Lernumgebung spezifische Schwierig-

keiten bei den einzelnen Teilkompetenzen des Experimentierens (Versuchsgruppe Teil

II) identifizieren?

Hypothese 5: In allen vier Teilkompetenzen des Experimentierens können spezifische Defi-

zite identifiziert werden.

Gerade die Darlegungen zu den Problemfeldern (s. o.) verdeutlichen, dass Schülerinnen und

Schüler Schwierigkeiten haben, die einzelnen Teilkompetenzen zu erwerben. Mit Blick auf

Studien zum Umgang mit den Kompetenzen Fragestellung formulieren, Hypothesen generie-

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ren, Planung eines Experiments sowie Daten auswerten wird deutlich, dass Lernende spezi-

fische Schwierigkeiten beim Kompetenzerwerb der vier Teilbereiche aufzeigen (z. B. GLASER

ET AL. 1992, DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998; HAMMANN ET. AL. 2006; MAYER ET AL. 2008;

GRUBE 2010). Demnach wird in der Hypothese 5 davon ausgegangen, dass in der offenen

Lernsituation, trotz gezielter Intervention, bei einzelnen Lerngruppen spezifische Defizite auf-

treten (s. Kap. 2.5.1).

Problematisch bei den aufgeführten Studien ist allerdings zum einen die Übertragung der

internationalen Ergebnisse auf die nationale Ausgangslage und zum anderen die Transferie-

rung der meist naturwissenschaftsdidaktischen Erkenntnisse (Biologie, Chemie, Physik oder

Science) auf die Geographie. Weiterhin werden Befunde herangezogen, die insbesondere

das forschende Lernen fokussierten und nicht primär das problemorientierte Lernen. Die Er-

gebnisse der vorgestellten Studien beruhen vor allem auf naturwissenschaftsdidaktischen

oder psychologischen Studien, so dass die Übertragung der Ergebnisse auf die vorliegende

Studie nur bedingt möglich ist. Die Erhebung und Analyse aus geographiedidaktischer Per-

spektive ist unumgänglich, um die formulierten Fragen und Hypothesen evaluieren zu kön-

nen.

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!4 Forschungsdesign und Methoden

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4 Forschungsdesign und Methoden

Die Forschungsarbeit geht der Frage nach, ob durch den Ansatz des problemlösenden Ler-

nens und der Methode des Experimentierens bei der Experimentalgruppe ein insgesamt hö-

herer Kompetenzerwerb zu verzeichnen ist als bei den Schülerinnen und Schülern der Ver-

gleichsgruppe mit fragend-gelenktem Unterrichtsansatz. Weiterhin stellt sich die Frage nach

individuellen und spezifischen Problemen beim Erwerb der Experimentierkompetenz. Um die

Mehrperspektivität und Komplexität des Kompetenzerwerbs analysieren zu können, wird ein

triangulatives Vorgehen, auch mixed methods genannt (TASHAKKORI, TEDDLIE 2003), einge-

setzt. Dieses basiert auf einem integrierten Design, bei dem die Methoden1 einzeln nachein-

ander Anwendung finden (FLICK 2011, S. 82).

Abbildung 7: Forschungsdesign

Die Phasen stehen ergänzend zueinander, so dass sogenannte blinde Flecke kompensiert

werden (FLICK 2011a, S. 84). Das Design entspricht einem sequential explanatory design

(TASHAKKORI, TEDDLIE 2003, S. 223).

NORMIERUNGSSTUDIE INTERVENTIONSSTUDIE EVALUATIONSSTUDIE

Abbildung 8: Sequential explanatory design (verändert nach TASHAKKORI, TEDDLIE 2003, S. 225)

XLVI 1 KÖCK (1991) benennt unter dem Begriff ‚Methoden’ u. a. die Vorgehensweisen bei der Datenbe-schaffung. In Anlehnung an KÖCK (1991) wird die Beschreibung und Begründung der Vorgehensweise als ‚Methode’ bezeichnet.

• Stichprobe: 662 Schülerinnen und Schüler

• paper-and-pencil-test

quantitative Normierungs-

studie

• Stichprobe: 191 Schülerinnen und Schüler

• paper-and-pencil-test

quantitative Interventions-

studie • Stichprobe: 30 Gruppenergebnisse

• Kompetenz-stufungsmodell

qualitative (quantitative) Evaluations-forschung

I quan Data

Collection

I quan Data

Analysis

II QUAN Data

Collection

II QUAN Data

Analysis

III qual Data

Collection

III qual/quan

Data Analysis

VI Interpre-tation of Entire

Analysis

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Hier erfolgen im ersten Schritt die quantitative Datenerhebungen und Analyse (Teil I und II)

und im zweiten die qualitative Datenerhebung und Analyse (Teil III), die in dieser Konzeption

durch quantitative Verfahren erweitert wird. In der vorliegenden Arbeit liegt die Priorität auf

der Interventionsstudie, ergänzt durch die Evaluationsstudie. Demnach liegt ein quantitativer

Schwerpunkt vor. Integriert werden die Ergebnisse im Interpretations- bzw. Diskussionskapi-

tel (Teil VI) (TASHAKKORI, TEDDLIE 2003, S. 223).

KRÜGER und RIEMEIER (2007) bezeichnen die Kombination aus Interventions- und Evaluati-

onsforschung als entwicklungsorientierte Evaluationsforschung, bei der kennzeichnend ist,

dass „mindestens zwei verschiedene Forschungsrichtungen miteinander kombiniert“

(KRÜGER, RIEMEIER 2007, S. 88) werden. In der Interventionsforschung werden Erkenntnisse

erhoben, die theoriegeleitete Hinweise für die praktische Anwendungen bieten. Durch die

Evaluationsforschung werden die Maßnahmen überprüft und bewertet. Die Wirkung und Fol-

gen eines Konzeptes sollen evaluiert werden (KRÜGER, RIEMEIER 2007, S. 88).

Für die vorliegende Arbeit ergeben sich vier zu untersuchende Teilkompetenzen, die sich am

empirisch belegten Kompetenzmodell nach MAYER, GRUBE und MÖLLER (2009) und den Mo-

dellen DFEE/QCA (1999) und NRC (1996) orientieren. Basierend auf den theoretischen Dar-

legungen werden die folgenden Teilkompetenzen formuliert: a) Fragestellung formulieren, b)

Hypothesen generieren, c) Planung eines Experiments, d) Daten auswerten.

4.1 Pilotierungsstudie

Die Forschungsfragen fokussieren den Kompetenzzuwachs der Schülerinnen und Schüler

durch die Methode des problemlösenden Lernens. Daher muss eine Erhebung der Kompe-

tenz gewährleistet werden. In der Normierungs- und Interventionsstudie erfolgt die Erhebung

mit der Methode des Leistungstests in Form eines paper-and-pencil-tests. Schriftliche Tests,

computergestützte Tests oder praktisches Experimentieren wurden in vorausgegangenen

Studien erprobt (z. B. KLAHR 2000; KLIEME ET AL. 2005; ZIEMEK ET AL. 2005; GRUBE 2010; HOF

2011). Da der paper-and-pencil-test ein bereits erprobtes Verfahren zur Erhebung von Kom-

petenzen ist, wie in den PISA-Studien und weiteren empirischen Studien (z. B. HOF 2011)

beschrieben und durchgeführt, wird auch in dieser konzeptionellen Phase das Instrument

verwendet. Es dient zum einen dazu, in der Normierungsstudie Schülerinnen und Schüler

der Klassenstufen 5 bis 9 zu testen, um Aufschluss über deren Kompetenzen im Querschnitt

zu erhalten. Zum anderen wird der paper-and-pencil-test dazu genutzt, einen Kern der vor-

liegenden Forschungsarbeit, die Interventionsstudie, in der Datengewinnung des Pre-, Post-

und Follow-Up-Verfahrens zu unterstützen. In der Wahl der Durchführungsmethode wird der

computergestützte Test als Methode ausgeschlossen. Das organisatorische Problem in der

schulischen Durchführung (fehlende Laptops, Computerräume u. a.) sowie der organisatori-

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sche Mehraufwand für die durchführenden Lehrkräfte lässt das computergestützte Testver-

fahren in der Schule als Instrument ausscheiden. Weiterhin bleiben bei diesem Verfahren

Zweifel an der Teilnahmebereitschaft, da davon ausgegangen werden kann, dass insbeson-

dere motivierte Schülerinnen und Schüler den paper-and-pencil-test beantworten und da-

durch keine allgemeingültigen Aussagen getroffen werden können. Die Erhebung durch rein

praktisches Experimentieren und Dokumentieren kann aus vergleichbaren Gründen (organi-

satorische Möglichkeiten, räumliche und personelle Kapazitäten) an den Schulen nicht erfol-

gen.

4.1.1 Entwicklung des Messinstruments

In der Pilotierungsphase wird zunächst das Messinstrument entwickelt. Dafür werden bereits

bestehende paper-and-pencil-tests aus nationalen und internationalen Studien gesichtet

(TAMIR, NUSSINOVITZ, FRIEDLER 1982; GERMANN 1989; DILLASHAW, OKAY 1980; BURNS, TOBIN,

CAPIE 1982; OKEY, WISE 1985; HAMMANN 2007; HOF 2011). Weiterhin werden internationale

Schulleistungsstudien (PISA und TIMSS) analysiert. Alle Studien beziehen den problemori-

entierten Ansatz bzw. inquiry-strategies mit ein und erheben wissenschaftliche Kompeten-

zen. Diese variieren innerhalb der Studien. Schwerpunkte liegen auf den Teilbereichen Fra-

gestellung identifizieren und entsprechende Hypothesen ableiten, Variablen identifizieren

und kontrollieren, Daten auswerten, aus graphischen Darstellungen Ergebnisse ableiten und

allgemeingültige Aussagen formulieren. Gemeinsam ist den Testfragen, dass sie den Natur-

wissenschaften Biologie, Physik und Chemie zuzuordnen sind. Geographische Aspekte lie-

gen kaum vor oder streben nicht die Überprüfung der Experimentierkompetenz an. Da ins-

besondere keine empirisch erprobten geographiedidaktischen Testfragen für den Kompe-

tenzbereich Experimentieren mit den entsprechenden Teilkompetenzen vorliegen und wei-

terhin die vorhandenen Testfragen anderer Fachdisziplinen (z. B. Biologie) nicht zur Über-

prüfung der vorliegenden Forschungsfragen geeignet sind, wird der paper-and pencil-test

eigenständig entwickelt. Bei der Entwicklung werden folgende Aspekte besonders berück-

sichtigt: Inhaltlicher Kontext und Angemessenheit, Kompetenzmodell nach MAYER, GRUBE

und MÖLLER (2009), sprachliche Angemessenheit (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 139) sowie

authentische Kontexte.

Bei der Entwicklung des Messinstruments wird der inhaltliche Aspekt betont. Geographische

Themen zu Boden und Wasser werden gewählt, da diese für geographische Experimente

besonders geeignet sind und dem kognitiven Stand der zum Teil jungen Probanden entspre-

chen. Testfragen zu anderen physisch-geographischen Themengebieten, beispielsweise

Klima, sind für geographische Experimente geeignet, können jedoch gerade die jüngeren

Schülerinnen und Schüler überfordern.

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Der Leistungstest (s. Anhang Kap. I) ist ein Niveautest (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 136), der

dem standardisierten Aufbau (Instruktion, soziodemographischer Hintergrund und Testfra-

gen) entspricht. Im konzeptionellen Aufbau des paper-and-pencil-tests wird im ersten Schritt

die Instruktion entwickelt, in der die Anonymität gewährleistet wird. Weiterhin erhalten die

Probanden Hinweise zum Ausfüllen und Bearbeiten des Fragebogens. Der Verweis auf die

Antwortmöglichkeit ‚weiß nicht’ unterstreicht die Bedeutung, die Ergebnisse nicht zu erraten.

Die soziodemographischen Fragen beinhalten ausschließlich die für die Auswertung benötig-

ten Inhalte, ohne zu stark in die Privatsphäre einzugreifen. Der sechsstellige Code ist uner-

lässlich, da in der Interventionsstudie eine Messwiederholung mit drei Zeitpunkten (Pretest,

Posttest und Follow-Up) erfolgt. Durch die Codierung können die Fragebögen in der späte-

ren Auswertungsphase entsprechend den drei Erhebungsphasen den einzelnen Probanden

zugeordnet werden (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 136 ff.), so dass die Analyse der Kompe-

tenzentwicklung ermöglicht wird. Zur Erhöhung des Anonymitätsschutzes wird der zweite

und dritte Buchstabe des Vornamens des Probanden und seiner Mutter gewählt. Vor den

eigentlichen Testfragen wird ein Abschnitt zur Selbsteinschätzung mit Likert-Skala entwic-

kelt. Eine fünfstufige Rating-Skala wird gewählt, da eine Erhöhung der Skalen die jungen

Probanden überfordern kann (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 141). Die Abstände entsprechen

„annähernd äquidistanten Abständen“ (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 141) und reichen von ‚sehr

gut’ bis ‚sehr schlecht’ bzw. ‚sehr häufig’ bis ‚noch nie’. Diskutiert wird die Anzahl der Stufen

(gerade oder ungerade), um der Problematik unentschlossener Probanden (unreflektierte

Wahl der Mitte) zu vermeiden. Dies wird insbesondere bei langen Fragebögen empfohlen

(NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 141). Der vorliegende Test beinhaltet jedoch nur sechs, inhaltlich

einfache Fragen zur Selbsteinschätzung, so dass die fünfstufige Skala angewendet werden

kann.

Die Testfragen zur Erhebung des Kompetenzstands werden, basierend auf den Schritten der

Testentwicklung nach NEUHAUS und BRAUN (2007), konzipiert. Überprüft werden die vier Be-

reiche des Experimentierens a) Fragestellung formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Ex-

periment planen, d) Daten auswerten sowie das Fachwissen. Das geschlossene Aufgaben-

format (multiple choice) des Kompetenz- und Fachwissenstests wird in einem späteren Ab-

schnitt (s. Kap. 4.1.3.1) näher begründet.

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4.1.2 Erprobung des Messinstruments

Orientiert an den Verfahren von PRÜFER und REXRODT (1996), finden folgende Testverfahren

Anwendung:

Tabelle 10: Überblick der Pilotierungsphase zur Testinstrumententwicklung

kognitive Laborverfahren Testerhebung im Feld andere Verfahren

Concurrent Think Aloud Standard-Pretest Experten

Probing

Confidence-Rating

Paraphrasing • integrierten Gesamt-

schule Jahrgangsstufe 5

• Stichprobe (27 Schülerin-nen und Schüler)

• integrierte Gesamtschule Jahrgangsstufe 5

• Hochschullehrer • wissenschaftliche

Mitarbeiter • Lehrerinnen und Leh-

rern (verschiedene Schularten)

Die Testerhebung erfolgt bei Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 5, um gewährlei-

sten zu können, dass auch die jüngsten Probanden den paper-and-pencil-test in zeitlichem

und kognitivem Umfang beantworten können, da in der Normierungsstudie Schülerinnen und

Schüler der Jahrgangsstufen 5 bis 9 befragt werden.

Die Pilotierungsphase zur Entwicklung des Testinstruments beinhaltet drei übergeordnete

Verfahren. Die (a) kognitiven Laborverfahren gliedern sich in verschiedene Techniken. Das

Verfahren Think Aloud wird in der Literatur „als die zentrale kognitive Technik überhaupt be-

zeichnet“ (PRÜFER, REXRODT 1996, S. 20). Dabei werden die Schülerinnen bzw. der Schüler

aufgefordert laut zu denken. Die Gedanken werden verbalisiert. Ziel ist es, Einsichten dar-

über zu erhalten, „wie die ganze Frage oder einzelne Begriffe verstanden wurden“ (PRÜFER,

REXRODT 1996, S. 20). Der Proband wird aufgefordert, laut zu denken, während er seine

Antwort formuliert. Konkret findet die Methode Concurrent-Think-Aloud (PRÜFER, REXRODT

1996, S. 20) Anwendung, d. h. die Gedanken werden während der Befragung formuliert. Ei-

ne zweite angewendete Methode ist das Probing. Dabei werden dem Probanden Zusatzfra-

gen (erweiterte Fragen) gestellt, um detaillierte Informationen zu erhalten. Dies erfolgt direkt

während des Verfahrens (Follow-Up-Probing). Durch Comprehension Probing (Probing zum

Fragenverständnis) kann die Verständlichkeit von Begriffen und Fragen überprüft werden.

Die Probanden erklären Termini sowie ganze Inhalte und Fragestellungen, damit Rück-

schlüsse auf die Verständlichkeit gezogen werden können (PRÜFER, REXRODT 1996, S. 23f.).

Beim dritten kognitiven Verfahren, Confidence Ratings, soll der Proband, nachdem er eine

Frage beantwortet hat, den Grad der Verlässlichkeit der Antwort bewerten (PRÜFER,

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REXRODT 1996, S. 24). Er wird angehalten mitzuteilen, ob er sich bei der Antwort sicher oder

unsicher sei bzw. ob er geraten habe (dreistufige Bewertungsmöglichkeit). Beim vierten ko-

gnitiven Laborverfahren, Paraphrasing, soll der Befragte, nachdem er die Frage beantwortet

hat, die Frage mit eigenen Worten wiederholen (PRÜFER, REXRODT 1996, S. 25). Durch diese

Methode können Rückschlüsse darüber gezogen werden, wie die Schülerinnen und Schüler

die Fragen verstehen.

Die zweite übergeordnete Methode ist die (b) Testerhebung im Feld. Dabei wird eine Klasse

mit 27 Schülerinnen und Schülern einer integrierten Gesamtschule im Jahrgang 5 gewählt.

Ziel ist die Beobachtung der Probanden während der Beantwortung sowie die Festlegung

der zeitlichen Komponente (45 Minuten) zur Beantwortung des Bogens in der Hauptstudie.

Der dritte Bereich der Pilotierungsphase besteht aus dem Einbezug von (c) Experten. Diese

lassen sich in drei Bereiche gliedern: (1) Professoren (Fachdidaktik Geographie), (2) wissen-

schaftliche Mitarbeiter, promovierte Geographiedidaktiker oder Hochschulangestellte, (3)

Lehrerinnen und Lehrer verschiedener Schulformen. Die einbezogenen Experten des univer-

sitären geographiedidaktischen Forschungsbereichs beurteilen die Konzeption aus dem

Blickwinkel der empirischen Lehr-/Lernforschung. Weiterhin wird der Fragebogen von ver-

schiedenen Inhabern der zweiten Expertengruppe gesichtet und bewertet sowie von Lehre-

rinnen und Lehrern, die nochmals einen differenzierten Blick auf Formulierungen und Abbil-

dungen legen. Dies wird insbesondere von Grund-, Haupt- und Realschullehrern ermöglicht.

Als Ergebnisse der Pilotierungsphase können folgende Aspekte genannt werden, die Be-

rücksichtigung finden und in die definitive Version des paper-and-pencil-tests aufgenommen

werden.

a) Ergebnisse der kognitiven Laborverfahren

Die Veranschaulichung der Inhalte durch graphische Darstellungen erleichtert den Schüle-

rinnen und Schülern das Verständnis. Die Textpassagen im Bereich des Experimentaufbaus

stellen die Probanden vor größere Schwierigkeiten, wenn graphische Darstellungen fehlen.

Daher werden die Experimente bei allen Testfragen durch einfache Visualisierungen ergänzt.

Graphische Darstellungen, die ungenau sind oder von den Probanden nicht eindeutig er-

kannt werden können, werden ersetzt bzw. entsprechend den aufgetretenen Problematiken

geändert. Demnach finden eindeutige und einfache Abbildungen Verwendung, die gegebe-

nenfalls durch Beschriftungen ergänzt werden.

Termini werden didaktisch reduziert. So wird der Fachausdruck Hypothesen durch den Be-

griff Vermutungen ergänzt. Vermutung ist den teilnehmenden Schülerinnen und Schülern der

Pilotierungsphase bekannt. Weiterhin sind undifferenzierte Verwendungen der Begriffe Bo-

den und Erde irreführend. Dies bestätigen auch die Experten in ihren Ausführungen. Daher

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wird einheitlich und geographisch angemessen der Begriff Boden im Kontext der Testfragen

verwendet.

Die Schülerinnen und Schüler neigen oftmals zu Mehrfachantworten, auch wenn nur eine

Antwort den Intentionen entspricht. Auf Rückfrage äußern sie: „Eine wird schon richtig sein“

oder „Ich denke, beide Antworten können stimmen“. Um den jungen Teilnehmerinnen und

Teilnehmern Hilfestellung zu bieten sowie die Auswertung der Ergebnisse nicht zu verfäl-

schen, wird vor der Antwortauswahl eine Vorgabe der richtigen Anzahl notwendig (Eine Ant-

wort ist richtig. Zwei Antworten sind richtig.)

Einzelne Textbereiche sowie eine gesamte Testfrage werden mehrdeutig interpretiert, so

dass entsprechend unklare Antworten der Schülerinnen und Schüler resultieren. Die Test-

frage wird dem paper-and-pencil-test entzogen und die Textbereiche entsprechend geändert.

b) Testerhebung im Feld

Dieses Verfahren erfüllt, neben der Evaluierung der Fragenqualität, den Zweck der zeitlichen

Überprüfung. Die Schülerinnen und Schüler einer 5. Klasse werden im Klassenverband an-

gehalten, den Fragebogen entsprechend der geplanten Situation in der Hauptstudie auszu-

füllen. Die Probenden erhalten 45 Minuten, um in Einzelarbeit den paper-and-pencil-test zu

bearbeiten. Als Resultat dieser Beobachtung wird deutlich, dass sie nach 45 Minuten den

Fragebogen bearbeiten können. Damit kann der zeitliche Rahmen zur Durchführung der

Hauptstudie festgelegt werden. Die Bearbeitungsdauer sollte nicht überschritten werden, da

die Beantwortung eine hohe Konzentration von den Schülerinnen und Schülern fordert. Aus

diesem Grund erfolgt keine Erhöhung der Anzahl der Testfragen. Drei Testfragen für jede

Teilkompetenz haben sich als angemessen erwiesen, um eine Überforderung der Schülerin-

nen und Schüler zu vermeiden.

c) Experten:

Der Teilbereich Selbsteinschätzung wird zur Überprüfung durch Anregung der Experten mit

drei Überprüfungsfragen zum Vorwissen ergänzt. Inhaltlich wird das Wissen zur Methode

des Experimentierens fokussiert.

Ungenauigkeiten in den graphischen Darstellungen werden beanstandet. Das Experiment

Wärmespeicherkapazität von Wasser und Boden (D2) enthält in der Version der Pilotie-

rungsphase eine Heizplatte als Wärmequelle von unten. Da dies aus Gründen der Wärmelei-

tung sachlich im physikalischen und geographischen Sinne unkorrekt ist, werden Lampen als

Wärmequellen von oben verwendet und graphisch in den paper-and-pencil-test integriert.

Die Testfrage zur Verdunstung von Wasser (B1) überprüft in der ersten Version das Fach-

wissen der Schülerinnen und Schüler, da die Angaben zur gemessenen Zeit fehlt. Durch das

53 ! !


!

Experteninterview wird die Ergänzung der Zeitangaben ermöglicht, wodurch die Evaluierung

der Teilkompetenz Hypothesenformulierung erfolgen kann.

Weiterhin folgen Hinweise auf die Vereinfachung von Termini sowie Satzbaukonstruktionen.

Der paper-and-pencil-test beinhaltet nach Abschluss der Pilotierungsphase vier Teilbereiche

(s. Tab. 11) und 29 Items (s. Anhang Kap. I).

Tabelle 11: Aufbau und Inhalt des paper-and-pencil-tests (Testkonstruktion)

Skala Inhalt

A • Instruktion

• Fragen zum soziodemographischen Hinter-grund

• Code

Ziele der Untersuchung

Anleitung zum Vorgehen

soziodemographischer Hintergrund: Fragen zu Ge-schlecht, Alter, Klassenstufe, Schulform, Zeugnis-noten

Codierung

B

• Selbsteinschätzung

• Vorwissen

Selbsteinschätzung zur Methode des Experimen-tierens

Fragen zu Experimentiererfahrungen

gezielte Fragen zur Selbsteinschätzung in den ein-zelnen Teilkompetenzen des Experimentierens

Überprüfung der Selbsteinschätzung mit gezielten Fragen zur Methode des Experimentierens

• Teilkompetenz Fragestellung formulieren

drei Testfragen zur Kompetenz Fragestellung for-mulieren mit vier Antwortmöglichkeiten sowie der Wahlmöglichkeit ‚weiß nicht’

• Teilkompetenz Hypothesen formulieren

drei Testfragen zur Kompetenz Hypothesen formu-lieren mit vier Antwortmöglichkeiten sowie der Wahlmöglichkeit ‚weiß nicht’

• Teilkompetenz Planung eines Experiments

drei Testfragen zur Kompetenz Experiment planen mit vier Antwortmöglichkeiten sowie der Wahlmög-lichkeit ‚weiß nicht’

C

• Teilkompetenz Daten auswerten

drei Testfragen zur Kompetenz Ergebnisse aus-werten mit vier Antwortmöglichkeiten sowie der Wahlmöglichkeit ‚weiß nicht’

D • Fachwissen sechs Testfragen zum Fachwissen mit vier Ant-wortmöglichkeiten sowie der Wahlmöglichkeit ‚weiß nicht’

54 ! !


!

4.1.3 Gütekriterien

In der Literatur werden verschiedene Gütekriterien genannt, die in die Bereiche Objektivität,

Itemschwierigkeit, Trennschärfe, Reliabilität und Validität klassifiziert werden (NEUHAUS,

BRAUN 2007, S. 146 ff.; ROST 2007, S. 150 ff.; BORTZ, DÖRING 2006, S. 217 ff.). Im Weiteren

wird die Güte des konzipierten Messinstruments anhand der aufgeführten Kriterien überprüft.

Zur Überprüfung der Itemqualität werden im Folgenden die Ergebnisse der Normierungsstu-

die hinzugezogen.

4.1.3.1 Objektivität

Objektivität liegt dann vor, wenn die Ergebnisse von der untersuchenden und auswertenden

Person unabhängig sind. Differenziert werden Durchführungs-, Auswertungs- und Interpreta-

tionsobjektivität (ROST 2007, S. 153f). Die Durchführungsobjektivität wird durch die einleiten-

de Instruktion auf dem Fragebogen (s. Kap. 4.1.1; Tab. 11) gewährleistet. Weiterhin erhalten

alle beteiligten Schulen und Lehrkräfte ein Informationsanschreiben mit zeitlicher Vorgabe

(45 Minuten Durchführung) und vereinheitlichten Anweisungen (z. B. keine Hilfestellungen

während der Durchführung), um ein hohes Maß der Standardisierung zu gewährleisten. Die

Testkonstruktion erfolgt entsprechend der Auswertungsobjektivität. So wird die geschlossene

Aufgabenform (multiple choice) verwendet, die durch die Vorgabe der Antworten charakteri-

siert ist und die maximale Objektivität sichert (ROST 2007, S. 154). Die Interpretationsobjekti-

vität fordert, dass verschiedene Personen unabhängig voneinander zu den gleichen Ergeb-

nissen kommen. Dies ist in der vorliegenden Studie nicht notwendig, da es sich um einen

rein mathematisch-statistischen Prozess handelt, der nicht beeinflussbar ist (LIENERT, RAATZ

1994, S. 8). Somit ist die Interpretationsobjektivität im vollen Maße gegeben.

4.1.3.2 Itemschwierigkeit und Trennschärfe

Die Itemschwierigkeit bezieht sich auf die einzelnen Items des Messinstruments. Sie dient

der Beschreibung, wie viele Probanden die Aufgaben lösen können. Die Werte liegen zwi-

schen 1 und 0. Treten Items auf, deren Werte unter 0,2 oder über 0,8 liegen, sollen sie aus

dem Messinstrument entfernt werden (NEUHAUS, BRAUN 2007; 149). Die Trennschärfe

(Trennschärfekoeffizient) zeigt, wie gut ein Item das Gesamtergebnis des Tests widerspie-

gelt. Dafür wird die Trennschärfe jedes einzelnen Items ermittelt (BORTZ, DÖRING 2006, S.

219). Im Optimum liegen die Werte zwischen 0,5 und 0,3 (NEUHAUS, BRAUN 2007; 149).

55 ! !


!

Tabelle 12: Itemschwierigkeit und Trennschärfe

Skale

Subskala

Item

Kontext

Item-schwie-rigkeit

Trenn-schärfe

5.1 Kontext der Variablen 0,38 0,30

5.2 Bedeutung eines Experimentes 0,55 0,23

Vorwissen

5.3 Phasen des Experimentes 0,40 0,31

A1 Filterwirkung des Bodens 0,29 0,30

A2 Wasserverschmutzung durch Öl – Trennverfahren

bei Ölverschmutzungen

0,34 0,23

Teilkompetenz

Fragestellung

formulieren

A3 Bodenversalzung in ariden Regionen durch Be-

wässerung

0,21 0,20

B1 Wasserverdunstung – Faktoren der Verdun-

stungsgeschwindigkeit

0,44 0,31

B2 Einfluss der Bodenart auf die Infiltration 0,34 0,35

Teilkompetenz

Hypothesen

formulieren

B3 Kapillarkraft des Bodens – Wasserspeicherver-

mögen von Boden

0,39 0,33

C1 Phänomen Totes Meer 0,41 0,37

C2 Bodenverdichtung - Einfluss auf die Infiltration von

Oberflächenwasser

0,22 0,24

Teilkompetenz

Experiment

planen

C3 Problem Aralsee - Versalzungs- und Verdun-

stungsbedingungen

0,26 0,44

D1 Wasserspeichervermögen von Boden – Einfluss-

bedingung Bodenart

0,57 0,31

D2 Wärmespeicherung von Land- und Wasserflächen 0,55 0,35

Exp

erim

entie

rkom

pete

nz

Teilkompetenz

Ergebnisse

auswerten

D3 Bodeneigenschaften – Körnigkeit und Speicher-

vermögen

0,59 0,33

E1 Wasserspeicherkapazität von Boden 0,24 0,23

E2 Kapillarkraft des Bodens 0,31 0,30

E3 Bodenversalzung durch Bewässerung 0,14 0,20

E4 Aralsee und Bodenversalzung 0,42 0,31

E5 Tragfähigkeit und Salzgehalt des Toten Meeres 0,60 0,21

Fachwissen

E6 Salzgehalt der Ostsee 0,21 0,26

56 ! !


!

Die Testfrage E3 erfüllt sowohl das Kriterium der Itemschwierigkeit als auch das der Trenn-

schärfe nicht. Daher wird sie bei der Analyse der Ergebnisse nicht berechnet. Weitere Items

liegen knapp unterhalb des empfohlenen Trennschärfewerts, erreichen jedoch angemessene

Werte in der Itemschwierigkeit. Aufgrund der teilweise minimalen Unterschreitung des emp-

fohlenen Trennschärfewerts und der dringend erforderlichen inhaltlichen Abstimmung bezüg-

lich der Intervention mit dem Thema Wasser – Süßwasser- und Salzwasserphänome/-

probleme an ausgewählten Raumbeispielen – werden diese in der weiteren Analyse berech-

net und berichtet.

4.1.3.3 Reliabilität

Ein weiteres Gütekriterium ist die Reliabilität, die die Zuverlässigkeit eines Tests misst (ROST

2007, S. 155). In der Literatur werden verschiedene Verfahren zur Erhebung der Reliabilität

von Leistungstests aufgeführt: Test-Retest, Paralleltest/Testhalbierung und Cronbachs α

(NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 155). Die ersten beiden Verfahren scheiden aus organisatori-

schen Gründen innerhalb der schulischen Durchführung aus. Die Ermittlung der Reliabilität

erfolgt durch die Berechnung des Cronbachs α (BÜHNER 2004, S. 121) anhand des Statistik-

programms SPSS. Dabei werden Items einer Skala, die das gleiche Konstrukt messen, mit-

einander korreliert, so dass eine multiple Korrelation durchgeführt wird. Im Folgenden wer-

den die Skalen Selbsteinschätzung, Vorwissen, Experimentierkompetenz und Fachwissen

gebildet, die aus der Konstruktion des Fragebogens hervorgehen. Selbsteinschätzung und

Vorwissen werden, obwohl sie eine Skala bilden, getrennt betrachtet, da es sich um unter-

schiedliche Aufgabenformate handelt. Es sollten möglichst Werte über 0,5 erreicht werden

(NEUHAUS, BRAUN 2007; 153).

Tabelle 13: Reliabilität der einzelnen Skalen (Cronbachs α)

Skala Cronbachs α

Selbsteinschätzung 0,71

Vorwissen 0,50

Experimentierkompetenz 0,71

Fachwissen 0,43

In den Skalen Selbsteinschätzung und Experimentierkompetenz wird mit jeweils 0,71 Cron-

bachs α eine befriedigende Reliabilität erreicht. Die Korrelationen fallen in den Skalen Vor-

wissen und Fachwissen geringer aus, da dort von drei bzw. fünf Items ausgegangen wird. Je

mehr Items das gleiche Konstrukt messen, desto höher wird die Korrelation (NEUHAUS,

57 ! !


!

BRAUN 2007, 150 ff.). Eine Erhöhung der Items würde die kognitive Leistungsfähigkeit der

Schülerinnen und Schüler überfordern. Ein Zeitrahmen von 45 Minuten zur Beantwortung

des Leistungstests sollte nicht überschritten werden, so dass eine Erhöhung der Itemanzahl

in den Skalen Vorwissen und Fachwissen nicht erfolgt und der Schwerpunkt des Messin-

struments, die Erhebung der Experimentierkompetenz, einen befriedigenden Wert erreicht.

4.1.3.4 Validität

„Ist ein Test valide (gültig), dann misst er auch wirklich das, was er messen soll“ (ROST 2007,

S. 158). Die Validität gibt damit die Gültigkeit des Tests an. Differenziert werden a) Inhaltsva-

lidität, b) Kriteriumsvalidität, c) Konstruktvalidität (BORTZ, DÖRING 2006, S. 200; NEUHAUS,

BRAUN 2007, S.154 f.; ROST 2007, S. 158 f.).

Die a) Inhaltsvalidität liegt dann vor, wenn der Test mit hoher Sicherheit das zu messende

Konstrukt misst (NEUHAUS, BRAUN 2007, S. 155). Die Überprüfung erfolgt nicht auf Rechen-

grundlage, sondern aufgrund sachlich logischer Überlegungen (BORTZ, DÖRING 2006, S.

199). Als inhaltlicher Kontext werden Themen zu Boden und Wasser gewählt. Die subjektive

Überprüfung durch Experten wird als Möglichkeit aufgeführt, die Inhaltsvalidität gewährlei-

sten zu können (HIMME 2007, S. 382). Das Messinstrument wird in der Pilotierungsphase

verschiedenen Experten der Geographiedidaktik (s. Kap. 4.1.2) vorgelegt, die Forschungs-

schwerpunkte im Bereich der Erkenntnisgewinnung (Experimentieren) haben. Das Messin-

strument wird von ihnen geprüft.

Zur Überprüfung der b) Kriteriumsvalidität wird ein Außenkriterium gesucht, wenn ein reprä-

sentatives Verhalten nicht gemessen werden kann, das in einem theoretischen Zusammen-

hang zu dem zu untersuchenden Merkmal steht (NEUHAUS, BRAUN 2007, 155). Als Außenkri-

terium wird oftmals die Schulnote verwendet (NEUHAUS, BRAUN 2007, 157). In der vorliegen-

den Studie wird das Kriterium durch die Noten der Unterrichtsfächer Biologie und Erdkunde

festgelegt. Anzumerken ist, dass der Kompetenzstand nicht zwangsläufig gleichzusetzen ist

mit der Schulnote eines Lernenden. Daher erfolgt die Erweiterung des Außenkriteriums, wie

es vergleichbaren Studien zu entnehmen ist (HOF 2011), durch die Kompetenzerhebung in-

nerhalb verschiedener Schularten (Hauptschule, Realschule, IGS) sowie Klassenstufen (5

bis 9).

Konstruktvalidität liegt nach SCHNELL (2005) dann vor, wenn Aussagen über den Zusam-

menhang aus dem Konstrukt mit anderen, bereits bestehenden Konstrukten theoretisch her-

geleitet und empirisch überprüft werden können. Hinsichtlich des Forschungsstands zum

problemlösenden Lernen und der Experimentierkompetenz im Geographieunterricht kann

keine Zusammenhangshypothese zu bestehenden Variablen formuliert werden. In dem vor-

liegenden Test handelt es sich um ein Konstrukt, das an dieser Stelle nicht messbar ist, wie

58 ! !


!

es im didaktischen Bereich die Regel ist (NEUHAUS, BRAUN 2007, 154). Daher kann die Kon-

struktvalidität hier nicht erhoben werden.

4.2 Normierungsstudien

Die Normierungsstudie verfolgt das Ziel, die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler in

einer Querschnittsstudie (ROST 2007, S. 134) zu erheben. Dabei werden neben der Selbst-

einschätzung und dem Vorwissen zur Methode die Experimentierkompetenzen sowie das

Fachwissen von Schülerinnen und Schülern aufgedeckt.

4.2.1 Stichprobe

Die Gesamtstichprobe beträgt 662 Schülerinnen und Schüler der Schularten integrierte Ge-

samtschule (N = 553), Realschulen und Hauptschule (N = 103), sonstige/keine Angaben (N

= 6) in Hessen, mit 50,2% Probandinnen (N = 332) und 49,8% Probanden (N = 330). Das

Durchschnittsalter beträgt 12,76 Jahre (SD = 1,33). Befragt werden Schülerinnen und Schü-

ler der Jahrgangsstufen 5 bis 9, mit N = 102 im 5. Schuljahr, im 6. Schuljahr N = 251, im 7.

Schuljahr N = 162, im 8. Schuljahr N = 60 und im 9. Schuljahr N = 84.

4.2.2 Design

Für die Erforschung der wissenschaftlichen Problemlösekompetenz werden in der Literatur

verschiedene Methoden zur Erhebung der Teilkompetenzen beschrieben. Genannt werden

Laborexperimente (KLAHR 2000), Klassenraumstudien/Felduntersuchungen (DUGGAN ET AL.

1996; HOF 2011), Interviews (CAREY ET AL. 1989), Large-scale-assessment (STEBLER ET AL.

1998; KLIEME ET AL. 2005; MAYER 2007, S. 183).

Die Datenerhebung erfolgt in der vorliegenden Untersuchung durch Feldstudien. Der Vorteil

der Feldstudie „liegt darin, dass in der Regel eine größere Anzahl von Personen in die Un-

tersuchung einbezogen wird, so dass die Ergebnisse eher als repräsentativ und generali-

sierbar angesehen werden können“ (SCHLÖMERKEMPER 2010, S.67). Die Feldstudie hat den

Nachteil, dass die vollständige Kontrolle der Bedingungen nur schwer zu erreichen ist. Daten

beeinflussenden Faktoren können nur schwierig kontrolliert werden. Da es nicht möglich ist,

die große Anzahl an teilnehmenden Schülerinnen und Schülern unter Laborbedingungen zu

befragen oder zu intervenieren, muss die Studie als Feldstudie durchgeführt werden. Außer-

dem sollen „die Daten unter natürlichen, normalen Bedingungen erhoben“

(SCHLÖMERKEMPER 2010, S.67) werden, um die Ergebnisse der Schülerinnen und Schüler

möglichst real zu erhalten. Feldstudien sind demnach lebensnäher und flexibler (ROST 2007,

S. 68) und aus diesem Grund gut geeignet, „weitergefasste Hypothesen zu testen“ (ROST

2007, S. 68).

59 ! !


!

Als Messinstrument wird der erläuterte paper-and pencil-test (s. Tab. 11; s. Anhang Kap. I)

verwendet, der im Geographieunterricht innerhalb einer Unterrichtsstunde (45 Minuten) aus-

gefüllt wird.

4.3 Interventionsstudie

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt in der Interventionsstudie, die, in vier Phasen

gegliedert, in 6. bzw. 7. Jahrgangsstufen an drei unterschiedlichen Schulen in Hessen

durchgeführt wird. Die Teilnahme der Lehrkräfte und der Klassen basiert auf persönlichen

Kontakten, da die zeitintensive, nicht im Lehrplan verankerte Interventionseinheit ein hohes

Engagement der Lehrkräfte erforderte. Zudem war die räumliche Nähe zu den Schulen

maßgeblich, um den organisatorischen Ablauf gewährleisten zu können. Die Schulen liegen

in den Landkreisen Lahn-Dill, Gießen und Wetteraukreis im Land Hessen. Die Zuordnung

auf die Gruppen erfolgte per Zufall. Ziel der Interventionsstudie ist die Evaluierung der ersten

drei Forschungsfragen. Um den durch die Intervention vermuteten Kompetenzzuwachs er-

heben und messen zu können, erfolgte im Vorfeld ein Pretest, nach der Intervention ein

Posttest sowie eine Follow-Up-Erhebung. Die Durchführung der Interventionsstudie mit Pre-

test, Intervention und Posttest erfolgte am Ende des Schuljahres (2011/2012) vor den Som-

merferien (2012). Die Follow-Up-Erhebung wird hingegen zu Beginn des Schuljahres

(2012/2013), nach den Sommerferien (2012) und somit acht Wochen nach der Erhebung des

Posttests durchgeführt. Daher sind die teilnehmenden Schülerinnen und Schüler zu Beginn

der Interventionsstudie in der Klassenstufe 6 und zuletzt in der Klassenstufe 7.

4.3.1 Stichprobe

Insgesamt nehmen 191 Schülerinnen und Schüler an der Studie teil. Dabei können 112

Schülerinnen und Schüler der Versuchs- und 79 der Vergleichsgruppe im Pretest zugeordnet

werden. 35,6% der Teilnehmer sind weiblich und 35,9% männlich. Im Durchschnitt sind die

Probanden 12,02 (SD = 0,56) Jahre alt. Tabelle 14 verdeutlicht die Stichprobe hinsichtlich

Treatmentzuordnung, Schulform und Lehrkraft in der Pre-, Post- und Follow-Up-Darstellung.

Die Schüleranzahl variiert aufgrund fehlender Anwesenheit oder nicht erfolgter Bearbeitung

des Tests sowie einzelner Items von T1 zu T3. Die Gruppe 5 (Versuchsgruppe Klasse Nr. 5)

konnte an der Follow-Up-Erhebung (T3) nicht teilnehmen, da sie nach der Vollendung des 6.

Jahrgangs aufgelöst wurde und die Erhebung zu Beginn des Schuljahres 2012/2013 im

Jahrgang 7 erfolgte.

60 ! !


!

Tabelle 14: Übersicht der Stichprobe der Interventionsstudie

Treatmentgruppe Klasse Schulart Lehrer Stichprobe (Pretest)

1 IGS (integrierte Gesamtschule) A 26

2 IGS (integrierte Gesamtschule) B 27

3 IGS (integrierte Gesamtschule) A 18

4 IGS (integrierte Gesamtschule) B 26

Versuchsgruppen

5 Haupt- und Realschule (Förderstufe) C 15

6 IGS (integrierte Gesamtschule) D 22

7 Haupt- und Realschule (Realschul-klasse)

E 20


F 18

Vergleichsgruppe


G 19

4.3.2 Design

Die Interventionsstudie erfolgt im quasi-experimentellen Design. Da die Probanden in ihrem

Klassenverband unterrichtet werden müssen, können „die einzelnen Teilnehmer nicht per

Zufall unterschiedlichen Gruppen“ (ROST 2007, S. 67f.) zugeordnet werden. Es erfolgt keine

Randomisierung. „Im schulischen Kontext begegnet man sehr häufig quasi-experimentellen

Designs, da der Klassenverband einer Schulklasse ein Gefüge ist, welches nicht willkürlich

verteilt werden kann“ (OTTO ET AL. 2012, S. 135). Es handelt es sich um Klumpenstichproben

(ROST 2007, S. 96.). Daher kann nicht von einem experimentellen Design ausgegangen

werden, sondern von einem quasi-experimentellen Design, das einem Zwei-Gruppen-Plan

(Versuchs- und Vergleichsgruppe) mit Vortest (Pretest), Behandlung (Intervention), Nachtest

(Posttest) und Follow-Up entspricht. Im Pretest wird die Ausganglage erhoben, dem direkt

die Intervention folgt. Der Intervention schließt die zweite Erhebung (Posttest) an und acht

Wochen danach die Follow-Up-Erhebung (s. Tab. 15).

61 ! !


!

Tabelle 15: Design der Interventionsstudie

Das Thema der Intervention wird losgelöst vom hessischen Lehrplan gewählt, da das Kon-

zept der integrierten Gesamtschule schulinterne Stoffverteilungspläne vorsieht, so dass kei-

ne einheitlichen Lehrpläne zu Grunde liegen. Verschärft wird die Problematik durch die Ein-

führung der Bildungsstandards, die mit Beginn des Schuljahrs 2011/2012 (01.08.2011) in

Kraft traten (KULTUSMINISTERKONFERENZ 2013a). Um einen Vorteil einzelner Klassen zu ver-

meiden, wird eine Unterrichtseinheit entwickelt, die konzeptionell in den bisherigen hessi-

schen Lehrplänen nicht vorliegt. Inhaltlich wird das Thema – Süßwasser- und Salzwas-

serphänome/-probleme an ausgewählten Raumbeispielen – gewählt, da es eine Vielzahl

adressatengerechter Experimente ermöglicht. Zudem werden durch die Themenwahl Aspek-

te der Nachhaltigkeit betont.

Das Design besteht aus zwei Gruppen, Versuchs- und Vergleichsgruppe. Die Probanden der

Versuchsgruppe werden durch den problemlösenden Ansatz unterrichtet. Die Methode des

Experimentierens wird schrittweise in zehn Sequenzen vom angeleiteten zum offenen Vor-

gehen konzipiert. Geleitet durch Arbeitsblätter und vorgefertigte Materialien, erreichen die

Phase MZP (Messzeitpunkt)

Verfahren

Pretest

T1

Messinstrument: Leistungstest (paper-and-pencil-test);

Schülerinnen und Schüler der Klassen 6 mit Versuchs-

und Vergleichsgruppe

Intervention

---

Förderung der Versuchs-

gruppe in zehn Unterrichts-

sequenzen mit problemlö-

sendem Ansatz und Experi-

mentieren (vom angeleiteten

zum offenen)

Förderung der Vergleichs-

gruppe in zehn Unter-

richtssequenzen mit fra-

gend-gelenktem Unterricht

Posttest

T2




Follow-Up

T3




62 ! !


!

Probanden am Ende der Intervention einen möglichst hohen Grad an Eigenständigkeit hin-

sichtlich der Methode des Experimentierens durch das Thema Wasser – Süßwasser- und

Salzwasserphänome/-probleme an ausgewählten Raumbeispielen. Die Vergleichsgruppe

wird ebenfalls in 10 Sequenzen zum Thema Wasser – Süßwasser- und Salzwasserphäno-

me/-probleme – unterrichtet, jedoch durch fragend-gelenktes Vorgehen. Auch hier erhalten

die Schülerinnen und Schüler vorgefertigte Arbeitsblätter.

Die beteiligten Lehrkräfte werden entsprechend ihrer Treatmentgruppe in einer Gesprächs-

runde über den Ablauf und die Konzeption informiert. Um eine möglichst hohe Vergleichbar-

keit der Gruppen gewährleisten zu können, erhalten alle Lehrkräfte eine Materialmappe, be-

stehend aus Sequenzierung, Vorgabe des zeitlichen Ablaufs der einzelnen Themen und

Stunden, Einstiegfolien, Arbeitsblätter, Lösungs- und Vorgehenshinweisen. Demnach wird

die Intervention in beiden Gruppen (Lehrkräfte der Versuchs- und Vergleichsgruppe) genau

vorstrukturiert und zeitlich sowie materiell angeleitet, damit die Ergebnisse der Versuchs-

und Vergleichsgruppe standardisiert und vergleichbar sind. Die Arbeitsmaterialien (Interven-

tion) der Versuchsgruppe sind dem Anhang zu entnehmen (s. Anhang Kap. II).

4.3.3 Messinstrument

Als Messinstrument der Interventionsstudie zur Durchführung des Zwei-Gruppen-Plans mit

drei Messzeitpunkten (T1-T3) wird der paper-and-pencil-test verwendet. Er besteht aus drei

Skalen a) Selbsteinschätzung mit Vorwissenstest (mit Subskala), b) Test der Experimentier-

kompetenz (mit Subskala), c) Fachwissenstest (s. Abb. 9; s. Anhang Kap. I).

63 ! !


!

Abbildung 9: Schematische Darstellung des Messinstruments (Interventionsstudie)

Neben den aufgeführten Skalen und Subskalen werden auf der Frontseite Instruktionen er-

teilt, der soziodemographische Hintergrund erhoben sowie die Codierung angeleitet.

4.4 Statistische Auswertungsverfahren

Für die Analysen werden die in der Fachliteratur aufgeführten Verfahren unter Berücksichti-

gung der Voraussetzungen verwendet (z. B. BACKHAUS 2006; BORTZ, SCHUSTER 2010). In

der Normierungsstudie werden dabei Unterschiede zwischen Faktoren (z. B. Jahrgangsstufe,

Schulart) hinsichtlich der Experimentierkompetenz bzw. des Fachwissen erhoben. Zunächst

werden die Ergebnisse deskriptiv dargestellt und Unterschiede zwischen Faktoren bzw.

Gruppen auf signifikante Unterschiede geprüft. Dies erfolgt durch Varianzanalysen bzw. T-

Tests, so dass z. B. das Kompetenzniveau der Gruppen auf statistische Unterschiede ge-

prüft werden kann. In den Items der Teilkompetenzen Hypothesen generieren und Daten

auswerten sind jeweils zwei Antworten richtig, in den Teilkompetenzen Fragestellung formu-

lieren und Planung eines Experiments eine. Eine Gewichtung, d. h. Multiplikation um den

Messinstrument!der!Interven:onsstudie!

Selbsteinschätzung!und!Vorwissen!zur!Methode!

SelbsteinF

schätzung!

Item!1!

Item!3!

Item!3.1!

Item!3.2!

Item!3.3!

Item!3.4!

Item!3.5!

Vorwissen!

Item!5.1!

Item!5.2!

Item!5.3!

Experimen:erkompetenz!

FrageF

stellung!

formulieren!

Item!A1!

Item!A2!

Item!A3!

HypoF

thesen!

generieren!

Item!B1!

Item!B2!!

Item!B3!

Experiment!

planen!

Item!C1!

Item!C2!

Item!C3!

Daten!

auswerten!

Item!D1!

Item!D2!

Item!D3!

Fachwissen!

Item!E1!

Item!E2!

Item!E4!

Item!E5!

Item!E6!

64 ! !


!

Faktor 2 zur Angleichung der Ergebnisse, erfolgte entsprechend der zwei Antwortmöglichkei-

ten.

Die Voraussetzungen des T-Tests sind: Intervallskalierung (abhängige Variable), Normalver-

teilung, Varianzhomogenität. Gegenüber Verletzungen der Voraussetzungen (Normalvertei-

lung und Varianzhomogenität) ist der T-Test sehr robust, wenn die Stichprobe groß ist

(BORTZ 2005, S. 131). Da die Daten nicht als eindeutig normalverteilt einzustufen sind (visu-

elle Beurteilung der Häufigkeitsverteilung), aber eine große Stichprobe vorliegt, wird der T-

Test verwendet. FAGERLAND (2012) zeigt zudem, dass der T-Test für sehr schiefe Variablen

verwendet werden sollte. Von der Nutzung des nichtparametrischen MW-Test (Mann-

Whitney U Test) wird abgeraten, da bei hoher Stichprobe, starker Schiefe sowie unterschied-

licher Verteilung der MW-Test geringere p-Werte im Vergleich zum T-Test aufzeigt und feh-

lerhafte Hypothesenrevisionen resultieren können (FAGERLAND 2012). Weiterhin werden Va-

rianzanalysen (ANOVA) als statistische Prüfverfahren eingesetzt. ANOVA ist ein Spezialver-

fahren des T-Tests und ebenfalls besonders robust gegen Verletzungen der Voraussetzun-

gen, die von der Normalverteilung und Varianzheterogenität abweichen (ROST 2007, S. 188).

Das tolerierte Alphafehlerniveau wird auf 5 % festgesetzt (p ‹ 0,05).

In der statistischen Berechnung können bereits geringe Unterschiede bei großen Stichpro-

ben zu signifikanten Ergebnissen führen. Daher wird die Relevanz durch die Effektstärke

(Cohens d) mit dem Programm G power geprüft. Nach Cohen wird d > 0,2 als kleine Effekt-

stärke, d > 0,5 als mittlere Effektstärke und d > 0,8 als große Effektstärke differenziert, so

dass Aussagen über die Bedeutsamkeit der Unterschiede getroffen werden können. Dieses

Verfahren wird auch für alle weiteren Untersuchungen (Störvariablen und Interventionsstu-

die) verwendet.

Ergänzende Analysen beruhen auf Korrelationsuntersuchungen entsprechender Variablen

(Normierungs- und Interventionsstudie). Die Werte zwischen 0,00 und 0,20 werden als sehr

schwach betrachtet, Werte über 0,20 bis 0,40 als schwach, zwischen 0,40 und 0,60 als mitt-

lere Stärke und über 0,60 bis 0,80 als starke Korrelation (SEDLMEIER, RENKEWITZ 2008).

Berechnungen der Interventionsstudie beruhen auf Varianzanalysen mit Messwiederholun-

gen, die besonders effektiv sind, wenn Veränderungen über die Zeit erhoben werden sollen

(BORTZ, SCHUSTER 2010, S. 285). Somit werden die Ergebnisse der Gruppen in der Analyse

der Interventionsstudie durch Varianzanalysen mit Messwiederholungen überprüft, die durch

Signifikanztests (T-Test) zwischen den drei Messzeitpunkten ergänzt werden. Dies bedeutet,

dass a) die Ergebnisse der Gruppen zu den drei Messzeitpunkten direkt auf statistische Un-

terschiede geprüft und zum zweiten b) wird die unterschiedliche Entwicklung der beiden

65 ! !


!

Gruppen vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt sowie vom ersten zum dritten Messzeit-

punkt auf statistische Unterschiede analysiert werden.

4.5 Evaluationsstudie (Triangulation)

Durch das Evaluationsdesign wird eine genauere Untersuchung der Interventionsstudie er-

möglicht. Um die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler der Jahrgänge 6 differenzier-

ter analysieren und Schwierigkeiten beim Kompetenzerwerb in den einzelnen Teilkompeten-

zen effektiver aufdecken zu können, wird am Ende der Interventionsphase eine qualitative

Analyse mit quantitativen Elementen erfolgen. Ziel ist die Evaluierung der Forschungsfragen

4 und 5 zum offenen Experimentieren durch die Analyse der Schülerergebnisse im qualitati-

ven Verfahren. Primär wird eine Kompetenzbewertung der Schülerinnen und Schüler im of-

fenen problemorientierten Experimentierprozess ermöglicht, die abschließend durch die Be-

wertung der Effektivität der Intervention ergänzt werden kann.

4.5.1 Stichprobe

Das Sampling entspricht einem gezielten Sampling (FLICK 2011, S. 186), bei der die Grup-

penergebnisse der Schülerinnen und Schüler (Sampling = Versuchsgruppe der Interventi-

onsstudie) erhoben und anhand einer Evaluationsmatrix analysiert werden. Die Gruppen (N

= 30) setzen sich demnach aus den an der Intervention teilnehmenden Schülerinnen und

Schülern zusammen, die in explorativer und offener Unterrichtsform, entsprechend dem pro-

blemlösenden Lernen, in einer Gruppengröße von drei bis vier Schülerinnen und Schülern

zusammenarbeiten. Die Probanden sind in der 6. Jahrgangsstufe einer Förderstufe sowie

integrierten Gesamtschule und im Durchschnitt 12,28 Jahre alt. Die Geschlechterverteilung

beträgt 50% weibliche Teilnehmerinnen und 50% männliche Teilnehmer.

4.5.2 Design

Das Grundschema des methodischen Vorgehens der qualitativen Evaluationsforschung be-

schreiben WOTTAWA, THIERAU (1990) durch die folgenden Schritte: a) Konzeption des Eva-

luationsdesigns, des Untersuchungsplans, b) Zielexplikation, c) Operationalisierung der Zie-

le, d) Aufstellen und Bewertung von Bewertungskriterien, e) Schlussbewertung.

Die qualitative Evaluationsforschung wird als Methode aufgeführt, die Praxisveränderungen

auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Besonders Interventionsprojekte und Curriculumfor-

schung werden benannt (MAYRING 2002, S.62). Durch die Evaluationsforschung können

pädagogische Interventionen auf ihre Wirksamkeit überprüft werden (KARDORFF 2012, S.

239).

66 ! !


!

Zur Messmethode eines ausführungsbezogenen Tests werden verschiedene Verfahren auf-

geführt: a) direkte Beobachtung, b) eigenständige Protokollierung durch die Schüler und

Schülerinnen, c) Computersimulation, d) paper-and-pencil-test (SHAVELSON, RUIZ-PRIMO

1999, S. 121). Als Messverfahren wird Variante b) eigenständiges Protokollieren verwendet.

Zu den typischen Methoden der qualitativen Studien gehören zudem neben teilnehmenden

Beobachtungen oder Interviews die interpretierende Dokumenten- und Inhaltsanalyse im

Rahmen von beispielsweise Protokollen (ACKERMANN, ROSENBUSCH 2002, S. 35). Störende

Effekte (z. B. Interview- oder Versuchsleitereffekte) können ähnlich den nonreaktiven Verfah-

ren vermieden werden. Die Vorteile der eigenständigen Protokollierung liegen demnach dar-

in begründet, dass alle Probanden zur gleichen Zeit das Experiment durchführen können, in

ihrer Arbeitsaktivität nicht durch fremde Personen gehemmt werden sowie vergleichbare und

zu evaluierende Ergebnisse in allen Gruppen der verschiedenen Klassen und Schulen in

schriftlicher Form entstehen. Weiterhin erfolgt in der Interventionsphase eine gezielte Förde-

rung der Technik des Protokollierens vom zunächst angeleiteten Vorgehen hin zu offenen

Verfahren am Ende der Intervention. Die direkte Beobachtung ist aufgrund der Durchfüh-

rungsverfahren mit unterschiedlichen Lehrkräften an unterschiedlichen Schulen zur gleichen

Zeit nicht möglich. Ebenso scheidet die Computersimulation aus organisatorischen und

technischen Gründen an den Schulen als Testverfahren aus. Weiterhin ist für eine Triangula-

tion kennzeichnend, dass ein Forschungsstand aus mindestens zwei Punkten konstituiert

wird. Dabei sollten verschiedene methodische Zugänge verwendet werden (FLICK 2011a, S.

11), so dass in dieser Phase auf den Einsatz eines paper-and-pencil-tests verzichtet wird.

Als Basisdesign wird eine Momentaufnahme (FLICK 2011b, S. 255) im Sinne der Kompe-

tenzanalyse erfolgen. Entsprechend einer Fallanalyse, ergeben die einzelnen Schülergrup-

pen jeweils einen Fall. Das Fallverständnis kann auch soziale Gemeinschaften umfassen

(FLICK 2011b, S. 253), die hier durch die Schülerinnen und Schüler gebildet werden.

Zur Kontrolle der Variablen erfolgt eine genaue Vorgabe des Vorgehens. Das Konzept des

Untersuchungsplans beinhaltet die 10. Sequenz der Interventionseinheit. Die in der Interven-

tionsphase in Sequenz 10 aufgeführte Stunde zum Thema Salzgehalt der Ostsee umfasst

eine Unterrichtsstunde. Die Lehrerinstruktion beinhaltet, einen problemorientierten Unter-

richtseinstieg zu vollziehen und den Probanden im anschließenden Problemlöseprozess kei-

ne weiteren Hilfestellungen zu erteilen. Zu Stundenbeginn wird allen Schülerinnen und Schü-

lern die gleiche Einstiegsfolie präsentiert, die eine Karte der Ostsee mit von West nach

Nordost abnehmendem Salzgehalt zeigt. Eine gemeinsame Besprechung des Phänomens

mit Verortung erfolgt. Weiterhin wird ein Materialtisch mit einer genauen Materialauflistung

von den Lehrkräften vorbereitet (s. Anhang Kap I Sequenz 10). Der Schülerauftrag lautet,

das aufgezeigte Phänomen mit den bereitstehenden Materialien (Auswahl) zu untersuchen

67 ! !


!

und das Vorgehen genau zu protokollieren. Die Schülergruppen müssen selbstgesteuert und

kooperativ in offener Unterrichtsform den Erkenntnisweg konstruieren und protokollieren.

Arbeitsblätter mit vorstrukturierten Anleitungen wie in den vorausgegangenen Sequenzen

werden nicht an die Schülerinnen und Schüler ausgegeben. Zur Protokollierung werden wei-

ße Blätter verwendet. Jede Gruppe muss das Protokoll in einfacher Form anfertigen, es wird

abschließend von der Lehrkraft eingesammelt.

Die Datenaufbereitung erfolgt im ersten Schritt durch die Transkription der 30 Protokolle,

differenziert in die vier Teilkompetenzen a) Fragestellung formulieren, b) Hypothesen gene-

rieren, c) Experiment planen, d) Daten auswerten. Anschließend werden diese redigiert, d. h.

die Inhalte werden deutlicher formuliert, wobei der Schreibstil erhalten bleibt (KRÜGER,

RIEMEIER 2007, S. 97). Der Datenaufbereitung folgt die computergestützte Auswertung der

Daten (KELLE 2012) durch die Ordnung der Inhalte sowie die Explikation. Abschließend wer-

den die ausgewerteten Daten der vier Teilkompetenzen einem Kompetenzstufenmodell zu-

geordnet (s. Kap. 4.5.3), um den Kompetenzstand der Schülerinnen und Schüler abschlie-

ßend theoriegeleitet bewerten zu können. Quantitative Verfahren ergänzen Teilbereiche der

Ergebnisdarstellung, um im Sinne der Triangulation eine zusammenführende und abschlie-

ßende Diskussion der Ergebnisse zu ermöglichen.

4.5.3 Messinstrument

Um die Operationalisierung und Evaluation der Ziele zu ermöglichen, wird ein Kompetenz-

stufenmodell als Evaluationsmatrix zur Bewertungsgrundlage entwickelt. Als Grundlage dient

das Kompetenzentwicklungsmodell von HAMMANN (2004), das durch die Teilkompetenz Fra-

gestellung formulieren erweitert und der Interventionsstudie entsprechend angepasst wird.

Demnach erfolgt die Differenzierung der Experimentierkompetenz in vier (statt drei) Dimen-

sionen. Erweitert wird das Kompetenzmodell hinsichtlich der Teilkompetenz Fragestellung

formulieren. Die Abstufungen erfolgt vom höchsten Niveau, das durch eine logische Formu-

lierung gekennzeichnet ist (Frage wird adäquat formuliert; Frage steht im Zusammenhang

mit dem Phänomen oder Problem; Frage ist überprüfbar). Als Grundlage dieser Stufe wur-

den Definitionen herangezogen, wonach die Formulierung einer Fragestellung so erfolgen

sollte, dass sie naturwissenschaftlich untersucht werden kann (MAYER, ZIEMEK 2006, S. 6).

Weiterhin resultiert sie aus der Konfrontation und damit aus dem Zusammenhang mit dem

Phänomen oder Problem (OTTO 2009, S. 6; GRUBE 2010, S. 4). Die Abstufung zur niedrigeren

Stufe (3) erfolgt schrittweise durch die Reduzierung der naturwissenschaftlichen Überprüf-

barkeit. Die folgende Abstufung wird durch den fehlenden Zusammenhang definiert (Stufe 2),

so dass in der niedrigsten Stufe (1) keine Fragestellung formulierte wird. Eine zweite Anpas-

sung des bereits bestehenden Modells erfolgt in Stufe (4) der Teilkompetenz Planung eines

68 ! !


!

Experiments. Diese Stufe wird um den Faktor Kontrollansatz erweitert, da er explizit als Defi-

zit von Schülerinnen und Schüler aufgeführt wird. Die viergliedrige Stufung wird demnach

beibehalten (HAMMANN 2004, 200 ff.) und der vorliegenden Konzeption angepasst. Die Stu-

fen „geben Auskunft über Kompetenzverläufe, also gestufte Fähigkeiten und damit Grade

der Entwicklung von Kompetenzen“ (HAMMANN 2004, S. 196). Das für die Forschungsarbeit

konzipierte Kompetenzstufenmodell ist der Tabelle 16 zu entnehmen.

Tabelle 16: Kompetenzstufenmodell und Evaluationsmatrix der qualitativen Studie (verändert nach HAMMANN 2004)

! 70!


!

4.5.4 Gütekriterien

Neben dem Design und dem Untersuchungsplan ist die Sicherung der Qualität der Ergebnis-

se zu gewährleisten. FLICK (2011b) benennt als Gütekriterien qualitativer Forschung die Vali-

dität, Objektivität und Reliabilität. Um die Validität sicherstellen zu können, basiert die Aus-

wahl auf den gleichen Probanden, den an der Interventionsstudie teilnehmenden Schülerin-

nen und Schülern. Ziel der qualitativen Analyse ist die Ergänzung der quantitativen Studie,

um den Kompetenzerwerb der Schülerinnen und Schüler (Versuchsgruppe) möglichst lüc-

kenlos nachvollziehen und evaluieren zu können. Um die Ergebnisse der beiden Studien im

Interpretationskapitel vergleichen und integrieren zu können, müssen die Daten auf Grundla-

ge der gleichen Probanden erhoben werden. Hinsichtlich der Ausgangslage und Kontrolle

der Störvariablen (s. Kap. 6.2) wird deutlich, dass die Schülerinnen und Schüler als normal

(KRÜGER, RIEMEIER 2007, S. 95) bezeichnet werden können. In der vorliegenden Studie be-

deutet dies, die Probanden der Versuchsgruppen weisen durchschnittliche Werte im Kompe-

tenzgrad auf. Das Alter wird auf die Jahrgangsstufe 6 begrenzt.

Die Durchführungsobjektivität der Experimentierdurchführung wird durch standardisierte In-

struktionen innerhalb der Unterrichtsstunden gewährleistet. Zwar kann aus organisatorischen

Gründen die Durchführung der einzelnen Unterrichtsstunden nicht durch eine einzige Person

erfolgen, jedoch werden die beteiligten Lehrkräfte in einer Gesprächsrunde sowie durch

standardisierte Materialien und Vorgaben angeleitet. MAYRING (2003) und KRÜGER und

RIEMEIER (2007) definieren fünf Kriterien für die Verfahrensgültigkeit: „Nachvollziehbare Ver-

fahrensdokumentation, schrittweise Vorgehen, das von einer unabhängigen Person kontrol-

liert und ergänzt wird, argumentative Interpretationsabsicherung, vertrauensvolle Mitwirkung

der Probanden sowie interne methodologische Triangulation“ (KRÜGER, RIEMEIER 2007, S.

95). Die Verfahrensdokumentation sowie das schrittweise Vorgehen werden in der vorlie-

genden Arbeit aufgezeigt. Die Mitwirkung der Probanden wird bereits zu Beginn der Interven-

tionsstudie erfragt und durch die Zustimmung der Erziehungsberechtigten abgesichert.

Durch den Prozess der Intervention fassen die Probanden Vertrauen in die Methode. Wei-

terhin werden sie ausschließlich durch ihre reguläre Lehrkraft unterrichtet und begleitet, zu

der bereits im Vorfeld ein Vertrauensverhältnis besteht. Dieses Verhältnis wird nicht durch

externe Personen gestört. Die Kontrolle der Auswertungsphasen erfolgt hingegen durch eine

externe Person.

Die Reliabilität wird durch zwei Aspekte gewährleistet. Zum einen erfolgt die Codierung von

insgesamt zwei Personen (Inter-Coder-Reliabilität), zum anderen wird die Zuverlässigkeit

gewährt, da die Ergebnisse durch mehrere Schülerexperimente an unterschiedlichen Schu-

len abgesichert werden.

! 71!


!

4.5.5 Transkription

Unter Verwendung qualitativer Analysemethoden wurden die Protokolle (Textanalyse) zu-

nächst gesichtet und transkribiert (s. Anhang Kap. III). Eine Glättung der Protokolle erfolgte.

Dies ist die häufigste Methode der Transkription (KUCKARTZ 2007, S. 42). Die Protokollinhalte

wurden dabei nicht verändert, Ergänzungen werden angezeigt (z. B. Klammer). In der Teil-

kompetenz 3 (Planung) wurden die Schülerergebnisse aufgrund der bildlichen und graphi-

schen Darstellungen der Probanden auf ihre Richtigkeit geprüft und in eine angemessene

Kurzform überführt. Da die Protokolle schriftliche Dokumente sind und keine Ton- oder Vi-

deoaufnahmen beinhalten, erfordert die vorliegende Transkription einen geringeren Rahmen.

Die Protokolle wurden durch die Lernenden entsprechend den methodischen Schritten des

Experimentierens vorstrukturiert. Diese Struktur wurde in der Transkription beibehalten, so

dass jeweils vier übergeordnete Abschnitte (F-Fragestellung formulieren, H-Hypothesen ge-

nerieren, P-Planung eines Experiments, A-Daten auswerten) differenziert wurden, die den

Arbeits- und Protokollschritten der Probanden gleichkommen. Dies entspricht zudem den

Zielen der Analysen, d. h. die Kompetenzstufungen der einzelnen Teilkompetenzen sowie

spezifische Problemfelder dergleichen zu identifizieren. Die Schülerinnen und Schüler arbei-

teten in Kleingruppen von etwa drei Personen. Da eine Anonymisierung der Teilnehmer er-

forderlich ist, erhalten die 30 Protokolle Zuordnungscodes, die den fünf teilnehmenden Klas-

sen der Intervention (Versuchsgruppen) entsprechen (s. Tab. 17).

Tabelle 17: Übersicht der Zuordnungscodes der Protokolle

Klasse Schulform Zuordnungscode

(Anzahl der Protokolle)

1 IGS A1 – A5 (5)

2 IGS B6 – B12 (6)

3 IGS C13 – C18 (6)

4 IGS D19 – D25 (6)

5 Förderstufe E26 – E30 (4)

4.5.6 Kategorien, Codierung und Inter-Coder-Reliabilität

Unter Codieren wird „die Zuordnung von Kategorien zu relevanten Textpassagen bzw. die

Klassifikation von Textmerkmalen verstanden“ (KUCKARTZ 2007, S. 57). Die Kategorie (Co-

de) ist eine Bezeichnung, die der Zuordnung von Textstellen dient. Neben einzelnen Worten

! 72!


!

können Sätze codiert werden (KUCKARTZ 2007, S. 57f). Die Vorstrukturierung der einzelnen

Protokolle erfolgte in der Transkription durch Codes, die aus zwei Buchstaben und einer Zahl

zusammengesetzt sind. Somit steht B_F für die formulierte Fragestellung der Gruppe B7.

Tabelle 18: Codebeispiel

Fragestellung Gruppe B7

Code Inhalt

B7_F Vermischt sich das Wasser mit niedrigem Salzgehalt mit Wasser mit hohem Salzgehalt?

Als Basis der Codierung wird entsprechend der Forschungskonzeption das deduktive Vorge-

hen verwendet, bei dem die Kategoriensysteme vordefiniert sind (KUCKARTZ 2007, S. 66).

Die Kategorien entsprechen dem von HAMMANN (2004) entwickelten und der vorliegenden

Studie angepassten Kompetenzstufungssystem des Experimentierens (s. Tab. 16). Vier mal

vier Kategorien werden identifiziert, die den vier Teilkompetenzen (F-Fragestellung formulie-

ren, H-Hypothesen generieren, P-Planung eines Experiments, A-Daten auswerten) sowie

den vier Stufungen entsprechen (s. Tab. 19). Eine detaillierte Codieranleitung wurde konzi-

piert und ist dem Anhang zu entnehmen (s. Anhang Kap. IV).

Tabelle 19: Übersicht der Kategoriensysteme

Stufung Fragestellung formulieren

Hypothesen generieren

Planung eines Experiments

Daten auswerten

I (F_1) (H_1) (P_1) (A_1)

II (F_2) (H_2) (P_2) (A_2)

III (F_3) (H_3) (P_3) (A_3)

IV (F_4) (H_4) (P_4) (A_4)

Alle Textpassagen wurden durch eine der 16 Codes verschlüsselt (s. Anhang Kap. V). Die

Zuordnung der Textpassage erfolgt auf Grundlage des Kompetenzstufungssystems bzw. der

Codieranleitung (s. Anhang Kap. IV). Die Codes werden als Faktencodes klassifiziert, so

dass ihnen eine gewisse Objektivität zugesprochen wird. Somit können die Kriterien der Re-

liabilität gesichert werden, was im Sinne der Inter-Coder-Reliabilität durch zwei unabhängig

voneinander durchgeführte Codierer (Personen) erfolgt (KUCKARTZ 2007, S. 61). Als Zweit-

codierer wurde eine Expertin auf dem Gebiet der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewin-

nung eingesetzt, die unabhängig von der Erstcodierung die Zweitcodierung an den identi-

schen Protokollen durchführte. Die Tabelle (s. Tab. 20) verdeutlicht die Reliabilität der Kate-

gorien durch drei Werte: (1) Anzahl an Übereinstimmungen und gesamten Codierung2, (2)

Holsti-Koeffizienten (rH) (3) prozentualer Übereinstimmungskoeffizient (rÜ). Der Holsti-

Koeffizient wurde gewählt, da bei der Codierung keine fehlenden Werte auftreten, es eine

LXXII 2 Cod. = 54/56 entspricht 54 Übereinstimmungen von 56 Codierungen

! 73!


!

geringe Anzahl an Ausprägungen gab und die Variablen nominalskaliert vorlagen. Der Holsti-

Koeffizient beruht auf dem Paarvergleich (RÖSSLER 2005, S. 190). Da die Codierung von

zwei Personen erfolgte, eignet sich der Paarvergleich zur Überprüfung der Reliabilität. Die

Kritik des Holsti-Koeffizienten liegt insbesondere in der fehlenden Zufallskorrektur. Da eine

zufällige Übereinstimmung aufgrund der Methode nicht zu erwarten ist, wird im Folgenden

der Holsti-Koeffizient (rH) gewählt, er entspricht der prozentualen Übereinstimmung.

Tabelle 20: Inter-Coder-Reliabilität (Holsti)

Variable Name Fälle Cod. rH rÜ

F_1 Fragestellung Stufe 1 30 0/0 1 100%

F_2 Fragestellung Stufe 2 30 0/0 1 100%

F_3 Fragestellung Stufe 3 30 2/4 0,50 50%

F_4 Fragestellung Stufe 4 30 54/56 0,96 96%

H_1 Hypothesen Stufe 1 30 0/0 1 100%

H_2 Hypothesen Stufe 2 30 4/4 1 100%

H_3 Hypothesen Stufe 3 30 16/16 0,94 100%

H_4 Hypothesen Stufe 4 30 40/40 0,97 100%

P_1 Planung Stufe 1 30 0/0 1 100%

P_2 Planung Stufe 2 30 6/6 1 100%

P_3 Planung Stufe 3 30 24/26 0,92 92%

P_4 Planung Stufe 4 30 26/28 0,92 92%

A_1 Auswertung Stufe 1 30 8/10 0,80 80%


A_3 Auswertung Stufe 3 30 22/22 1 100%


rÜ 30 220/240 0,91 91%

Ein Übereinstimmungskoeffizient (rÜ) von 91% wird ermittelt, errechnet aus der Anzahl der

übereinstimmenden Codierungen mit der Anzahl der Gesamtcodierung (220 zu 240). Die

Reliabilität wird ab 90% als sehr gut eingestuft und ab 80% als gut (NEUENDORF 2002, S.

143). Die Kategorie F_3 (Fragestellung Stufe 3) liegt unterhalb des empfohlen Reliabilitäts-

werts und zeichnet sich zugleich durch eine geringe Codieranzahl aus. Eine genauere Dis-

kussion dieser Kategorie erfolgt im Diskussionskapitel (s. Kap. 7.4.1). Die verbleibenden Ka-

tegorien werden als gut oder sehr gut eingestuft, so dass insgesamt von einer hohen Reliabi-

lität ausgegangen werden kann.

74

5 Darstellung der Unterrichtseinheit


Die Konzeption der Unterrichtseinheit zur Intervention basiert auf den Erkenntnissen der

theoretischen Grundlagen (s. Kap. 2) und wird für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangs-

stufe 6 von Gesamt- und Realschulen entwickelt. Als thematischer Schwerpunkt wird das

Thema Wasser – Süßwasser- und Salzwasserphänomene/-probleme an ausgewählten

Raumbeispielen – gewählt.

5.1 Versuchsgruppe

Die Intervention fokussiert die Förderung der Experimentierkompetenz durch problemorien-

tiertes Lernen differenziert in die Teilkompetenzen

a) Fragestellung formulieren,

b) Hypothesen generieren,

c) Planung eines Experiments,

d) Daten auswerten (Auswertung und Interpretation).

In Kapitel 2.5.1 wurden die empirisch erhobenen Defizite der Schülerinnen und Schüler hin-

sichtlich der Methode des Experimentierens aufgeführt. Diese finden besondere Berücksich-

tigung und gezielte Förderung in der Intervention, um die Experimentierkompetenz durch

problemlösendes Lernen entwickeln zu können.

In der Teilkompetenz a) Fragestellung formulieren werden die Probanden gefördert, eine

naturwissenschaftliche Fragestellung zu formulieren. Entsprechend GRUBE (2010) sollen die

Schülerinnen und Schüler eine naturwissenschaftliche Fragestellung von einer nicht-

naturwissenschaftlichen unterscheiden lernen. Erstere muss durch ein Experiment überprüft

werden können. Im Bereich b) Hypothesen generieren lernen die Probanden, Hypothesen

aufzustellen, auch solche, die als unwahrscheinlich erachtet werden. Bei Hypothesen han-

delt es sich um begründete Aussagen, bezogen auf die Fragestellung. Zu einer Hypothese

(H1) wird die Gegenhypothese (H0) formuliert. So kann die spätere Falsifizierung und Verifi-

zierung ermöglicht werden. Die Hypothesenrevision erfolgt im nächsten Schritt auf Grundla-

ge der gesammelten Daten, so dass datenbasierende Rückschlüsse gezogen werden

(KLAHR, DUNABR 1988; DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998). In der Teilkompetenz c) Experiment

planen erfolgt die Förderung dahingehend, dass weitreichende Informationen gesammelt

werden und nicht solche, die gezielt nur die eigenen Vermutungen bestätigen. Die Planung

muss die Überprüfung der Hypothesen implizieren. Die korrekte Variablenidentifikation mit

abhängigen und unabhängigen Variablen, entsprechenden Kontrollvariablen, Kontrollansatz

und Variationen werden im Fokus stehen, um den beschriebenen Defiziten (DE JONG, VAN

JOOLINGEN 1998; HAMMANN 2004) entgegenzuwirken. Die Förderung der d) Datenauswer-

75


tung besteht aus den Teilbereichen Auswertung und Interpretation. Hinsichtlich der Auswer-

tung erfolgt eine gezielte Förderung der Auswertung von Text-, Tabellen- und Graphikantei-

len (LACHMAYER, NERDEL, PRECHTL 2007). Sie sollen einerseits die Datensätze angemessen

auswerten, um die Hypothesenrevision und Ergebnisberichte zu ermöglichen (DE JONG, VAN

JOOLINGEN 1998; KLAHR ET AL. 1993). Andererseits werden die Schülerinnen und Schüler in

der Interpretationsphase zur Methodenreflexion und Übertragung der Erkenntnisse auf das

Raumbeispiel angeleitet.

5.1.1 Methodische Konzeption

Die Konzeption der Einheit folgt den Grundsätzen des problemlösenden Lernens (MANDL

2003, S. 10; MAYER, ZIEMEK 2006, S. 7; RINSCHEDE 2007, S. 67; HASSELHORN, GOLD 2009, S.

262 ff.) und der Graduierung der Offenheit eines Experiments (PRIEMER 2011). Dabei ist das

problemlösende Lernen durch die methodischen Prinzipien der aktiven Konstruktion, der

Selbstständigkeit, der Kooperation und des situierten Kontexts charakterisiert. Im Folgenden

wird die methodische Konzeption der Intervention vorgestellt. Die Prinzipien des problemlö-

senden Lernens und der Aspekt der Offenheit sind dabei zu berücksichtigen.

Instruktionen rücken schrittweise in den Hintergrund, die Schülerinnen und Schüler werden

durch die aktive Konstruktion zur eigenständigen Generierung und Konstruktion (konstruk-

tivistische Lernform) angeregt. Instruktion erfolgt durch unterstützende Aktivitäten seitens

des Lehrers (MANDL 2003; HASSELHORN, GOLD 2009), insbesondere zu Beginn der Unter-

richtseinheit. Es werden Materialien vorgegeben oder vorstrukturiert und zudem Hilfekarten

(s. Anhang Kap. II) zur Verfügung gestellt. In der Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen

und Schüler schrittweise zur eigenständigen Generierung geführt, indem die Instruktion

durch den Lehrer langsam mit dem Ziel der Schüleraktivierung und Selbstständigkeit mini-

miert wird.

In der vorliegenden Konzeption wird die Selbstständigkeit durch selbstbestimmtes Lernen

ermöglicht (HASSELHORN, GOLD 2009, S. 302). Die direkte und adaptive Instruktion, die ins-

gesamt durch angeleitetes Vorgehen hinsichtlich vorgegebener authentischer Fachinhalte,

Strategien, Methoden, Lösungen, Lösungswege und Phasen charakterisiert ist, wird zugun-

sten einer höheren Selbststeuerung der Lernenden schrittweise ersetzt. In der Unterrichts-

einheit erfolgt, entsprechend dem Öffnungsgrad der Methode des Experiments, die Entwick-

lung vom stärker angeleiteten Vorgehen zum eigenständigen, offenen Experimentieren. In-

struktion erfolgt in den ersten Sequenzen durch vorstrukturierte Materialien, Planungshilfen,

Hilfekarten und Hilfestellung durch die Lehrkraft in allen Dimensionen. Die Öffnung geht mit

der Reduktion der Vorstrukturierung, insbesondere in den Dimensionen der Strategie, Me-

thode und Phase einher und beinhaltet die Herabsetzung der Hilfestellung seitens der Lehr-

76


kraft auf rein organisatorische und beratende Aufgaben, wie die Problempräsentation zum

Stundenbeginn und Materialbereitstellungen in Form eines Materialtisches. Ziel der Förde-

rung ist die Entwicklung von eigenständigen Problemlösungsstrategien der Schülerinnen und

Schüler im Rahmen des experimentellen Algorithmus. Demnach geht die Fremdsteuerung

durch die Lehrkraft im Laufe der Intervention in selbstgesteuertes Lernen durch die Schüler

über. Die Selbstbestimmung wird durch die freie Wahl des Vorgehens, der Gruppenprozesse

(wer macht was) und Methodenwahl definiert. Zeitliche und räumliche Rahmenbedingungen

müssen aufgrund der Vergleichbarkeit eingegrenzt werden.

Um dem Aspekt des kooperativen Lernens gerecht zu werden, erfolgt die Erarbeitung in

Kleingruppen von drei bis vier Schülerinnen oder Schülern. Entsprechend der kompetitiven

Zielstrukturen bzw. der positiven Interdependenz (JOHNSON, JOHNSON 1994 nach

HASSELHORN, GOLD 2009, S. 284 f.) können die Schülerinnen und Schüler die Lösungsstra-

tegien nur entwickeln und durchführen, wenn sie gemeinsam arbeiten. Dies ist Vorausset-

zung, um die komplexe Methode mit Planungs- und Durchführungsphasen im zeitlichen

Rahmen bewältigen zu können. Absprachen müssen getroffen werden, die die Problemfor-

mulierung (Fragestellung formulieren und Hypothesen generieren), Planung des Experi-

ments (abhängige Variable und unabhängige Variablen), Organisation (Materialbeschaf-

fung), Aufbau, Durchführung, Daten auswerten/Interpretation und Verschriftlichung umfas-

sen. Durch das konsequente Vorgehen im Verlauf der Unterrichtseinheit werden die Mitglie-

der Spezialisten ihrer Gruppen. Die Zuordnung erfolgt entsprechend der Selbstbestimmung

durch die Schülerinnen und Schüler.

Dem situierten Lernen entsprechend werden reale und authentische Probleme (z.B. Aral-

see) bzw. Phänomene (z. B. Totes Meer) gewählt. Durch solch einen Kontext wird laut

MANDL (2003) die Motivation der Schülerinnen und Schüler gefördert. So werden hier neben

den rein kognitiven Prozessen auch emotionale Faktoren genutzt, um Betroffenheit und da-

mit Motivation zu erzeugen bzw. an die Erfahrungen der Lernenden anzuknüpfen. Der späte-

re Transfer der Inhalte auf multiple Kontexte wird ermöglicht. Dabei wird das Experiment

ausschließlich als Schülerexperiment konzipiert und durchgeführt. Rituale (Unterrichtsein-

stieg, Verortung, Experten) werden genutzt und in der Lernumgebung kontinuierlich ange-

wendet (MANDL 2003, S. 10f.).

5.1.2 Konzeptioneller Überblick

Basierend auf dem Fachinhalt – Süßwasser- und Salzwasserphänomene/-probleme an aus-

gewählten Raumbeispielen – erfolgt die Öffnung des Experimentierens und damit die eigen-

ständige Generierung schrittweise in zehn Sequenzen (s. Tab. 21).

77


Tabelle 21: Konzeption der Intervention (Versuchsgruppe)

Sequenz Thema geförderte Kompetenz Öffnungsgrad

1 Boden speichert Wasser Einführung in die Methode

2 Kapillarkraft des Bodens Fragestellung formulieren

3 Kapillarkraft des Bodens Hypothesen generieren

4 Bodenversalzung durch Bewässerung Fragestellung formulieren


5 Bodenversalzung durch Bewässerung Planung eines Experiments

6 Bodenversalzung durch Bewässerung Daten auswerten

7 Phänomen Aralsee Planung eines Experiments,

Daten auswerten

8 Tragfähigkeit des Salzwassers

Phänomen Totes Meer

Fragestellung formulieren,



Daten auswerten

9 Kalt- und Warmströmungen in einem See

Fragestellung formulieren,



Daten auswerten

10 Salzgehalt der Ostsee Fragestellung formulieren,



Daten auswerten

!

Zu Beginn der Intervention werden die Schülerinnen und Schüler mit der Methode vertraut

gemacht (Sequenz 1) und anschließend unter Anleitung und Vorgabe in die Teilkompeten-

zen Fragestellung formulieren und Hypothesen generieren (Sequenzen 2 und 3) eingeführt.

Es folgt unmittelbar eine Festigung der ersten Teilkompetenzen (Sequenz 4), die durch eine

Erweiterung der Eigenständigkeit durch Vorskizzieren und Hilfestellungen (Hilfekarten) ge-

kennzeichnet ist. Anschließend werden die Teilkompetenzen Experiment planen und Daten

auswerten (Sequenzen 5 und 6) durch angeleitetes Vorgehen in Form von vorgegebenem

Vorgehen in allen Dimensionen (PRIEMER 2001, S. 325) gefördert (s. Abb. 6) , die in der

nächsten Sequenz geübt und gefestigt werden (Sequenz 7). Der Öffnungsgrad erweitert sich

zum vorskizzierten Vorgehen. In den nächsten drei Sequenzen werden die Schülerinnen und

Schüler die Experimentiermethode von der ersten (Fragestellung formulieren) bis zur letzten

Teilkompetenz (Daten auswerten) jeweils an einem Beispiel üben. Der Öffnungsgrad nimmt

offe

n

a

ngel

eite

t

78


dabei von Sequenz 8 mit einem hohen Maß an vorskizziertem Vorgehen hin zur Sequenz 10

mit einem hohen Grad an Offenheit zu.

5.1.3 Darstellung der Intervention

Die Sequenzen basieren auf den Prinzipien des problemlösenden Lernens. Die einzelnen

Themenbausteine beinhalten authentische Probleme oder Phänomene. In Form von Foto-

grafien, Erzählungen oder thematischen Karten werden diese zu Beginn der Problemfin-

dungsphase präsentiert. Anschließend erfolgt gegebenenfalls die Verortung. Die Interventi-

onseinheit der Versuchsgruppe ist dem Anhang zu entnehmen (s. Anhang Kap. II).

Sequenz 1 (Boden speichert Wasser)

Ziel dieser Sequenz ist die Vermittlung des experimentellen Algorithmus. Basierend auf den

Ergebnissen des Vorwissenstests (Normierungsstudie) wird deutlich, dass die Probanden

geringe Kenntnisse von der Methode des Experimentierens besitzen. Demnach erfolgt im

ersten Schritt eine Hinführung zur Methode exemplarisch am Beispiel ‚Boden speichert Was-

ser’. Durch die direkte Vorgabe eines Experiments entwickeln die Schülerinnen und Schüler

den experimentellen Algorithmus, so dass der methodische Ablauf in den Folgesequenzen

schematisch vorliegt (s. Anhang Kap. II AB 3). Die Probanden erstellen anhand der ihnen zur

Verfügung gestellten Materialien eine Experimentiermappe (s. Anhang Kap. II), die sie jeder-

zeit einsehen und als Hilfestellung nutzen können (Ausnahme Sequenz 10). Durch die Vi-

sualisierung des experimentellen Algorithmus in der ersten Sequenz bleibt das weitere me-

thodische Vorgehen präsent. Charakterisiert ist Sequenz 1 durch ein hohes Maß an Vorga-

ben in allen Dimensionen und damit einhergehend eine sehr geringe Öffnung des Experi-

ments.

Sequenz 2 (Kapillarkraft des Bodens Teil 1)

Sequenz 2 fokussiert die Förderung der Teilkompetenz Fragestellung formulieren. Die Ler-

nenden werden erstmals mit der Entwicklung einer naturwissenschaftlichen Fragestellung

vertraut gemacht. Ziel ist es, die Vorstellung der Schülerinnen und Schülern darüber zu för-

dern, welche Merkmale eine überprüfbare naturwissenschaftliche Fragestellung beinhaltet.

Zur Problemfindung wird ein Bild präsentiert, das eine grüne Pflanze auf trockenem Boden

zeigt. Die Schüler erkennen, dass die Pflanze trotz offensichtlicher Trockenheit des Bodens

leben kann. Anschließend wird die Herleitung einer entsprechenden Fragestellung durch die

Darstellung eines Experimentaufbaus zur Untersuchung der Kapillarkraft des Bodens (s.

Abb. 10) ermöglicht. Die Darstellung verdeutlicht den Lernenden in Form eines einfachen

Experiments, dass Boden Untergrundwasser gegen die Schwerkraft an die Bodenoberfläche

leiten kann.

79


Abbildung 10: Fragestellung formulieren (Sequenz 2)

Die Merkmale werden in einem Hinweiskasten verdeutlicht und durch Hilfestellungen zur

Formulierung einer überprüfbaren Fragestellung ergänzt (s. Anhang Kap. I AB 4). Entspre-

chend der Forderung, die Schülerinnen und Schüler zur methodischen Anwendung zu füh-

ren, erfolgt die Sequenz verstärkt durch Instruktion und Vorstrukturierung seitens des Leh-

rers (Fremdsteuerung). Die Lehrkraft verwendet verstärkt Hilfestellungen und arbeitet ge-

meinsam in einem Lehrer-Schülergespräch die Merkmale zur Formulierung einer angemes-

senen Fragestellung heraus. Inhaltlich lernen die Schülerinnen und Schüler die Kapillarkraft

des Bodens kennen und ziehen Rückschlüsse auf das Phänomen der blühenden Pflanze auf

trockenem Boden.

Sequenz 3 (Kapillarkraft des Bodens Teil 2)

In der Sequenz 3 wird die Hypothesengenerierung gefördert. Schülerinnen und Schüler wis-

sen oftmals nicht, wie Hypothesen aufgestellt werden (DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998, S.

183). Daher wird im ersten Schritt der Begriff erläutert und die Formulierung einer Hypothese

(1) mit Gegenhypothese (0) am Beispiel Kapillarkraft des Bodens, aufbauend auf der ersten

Sequenz, eingeleitet (s. Anhang Kap. II AB 5). Auch in dieser Sequenz ist der Unterricht

80


durch eine verstärkte Lehrerzentrierung, Vorstrukturierung, Hilfestellung und Instruktion ge-

kennzeichnet. Der Öffnungsgrad nach PRIEMER (2011) ist weiterhin gering einzustufen mit

einer resultierenden stärkeren Vorgabe. Im Lehrer-Schülergespräch werden Begriffe erläu-

tert, Merkmale definiert und erste Formulierungen angeleitet. Hilfssätze nach OTTO ET AL.

(2011) und MÖNTER, HOF (2012) (‚Je...,desto...’ bzw. ‚Wenn...,dann...’) leiten die Generierun-

gen ein und werden in den folgenden Sequenzen als Grundlage bzw. Hilfestellung verwen-

det.

Sequenz 4 (Bodenversalzung durch Bewässerung Teil 1)

Diese Sequenz dient der Übung und Festigung der zuvor geförderten Teilkompetenzen am

Beispiel Bodenversalzung durch Bewässerung. Weiterhin durch Anleitung, Instruktion und

Vorstrukturierung gekennzeichnet, erarbeiten die Schülerinnen und Schüler hier selbststän-

dig, ohne Lehrer-Schülergespräch, eine naturwissenschaftliche Fragestellung mit entspre-

chender Hypothese (1) und Gegenhypothese (0). Die Sequenz wird in der Problemfindungs-

phase durch eine Fotografie eines bewässerten Areals in einer ariden Region eröffnet. Die

zweite Fotografie zeigt eine weiße Kruste auf einer landwirtschaftlichen Fläche. Die Hinfüh-

rung zur Problemfrage erfolgt durch eine kurze schriftliche Erläuterung der Bewässerung in

ariden Regionen und der Visualisierung eines Experiments (s. Abb. 11). Die Schülerinnen

und Schüler lernen, dass Mineralsalze im Boden durch das Wasser gelöst und durch die

Kapillarkraft des Wassers an die Oberfläche transportiert werden. Dort entsteht eine Salz-

kruste, die den Boden für weitere landwirtschaftliche Nutzungen unbrauchbar macht. Ein

nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden wird im Sinne der multiplen Kontexte vermit-

telt.

Abbildung 11: Fragestellung formulieren (Sequenz 4) (verändert nach PETER, HOF 2011, S. 45)

Welche Fragestellung will er mit dem Experiment überprüfen?

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________

____________________________________________________________

______________

81


Entsprechend den theoretischen Grundlagen erfolgt auch in dieser Phase eine verstärkte

Instruktion und Vorstrukturierung, die allerdings langsam durch eine Erhöhung der Selbst-

ständigkeit charakterisiert ist. Die Probanden formulieren demnach selbstständig die Frage-

stellung. Um der Gefahr der Überforderung von leistungsschwächeren Schülerinnen und

Schülern entgegenzuwirken, werden ab Sequenz 4 Hilfekarten eingesetzt (s. Abb. 12). Sie

werden von den Lehrkräften im Klassenraum ausgelegt und stehen den Lernenden fortan in

den einzelnen Unterrichtsstunden zur freien Verfügbarkeit (s. Anhang Kap. II Hilfekarten).

Abbildung 12: Hilfekarte Fragestellung formulieren (Sequenz 4)

Ausgehend von der Fragestellung, werden die Schülerinnen und Schüler angeleitet, eigen-

ständig die Hypothesen abzuleiten. Auch für diese Teilkompetenz werden entsprechend dem

Ziel, die Probanden zur Selbstständigkeit zu führen, Hilfekarten ausgelegt. Am Ende der Se-

quenz, in der Sicherungsphase, werden die Schülerergebnisse gemeinsam mit der Lehrkraft

evaluiert.


Sequenz 5 fokussiert die Teilkompetenz Experiment planen. „Dabei stellt sich als wesentlich

heraus, die Lernenden im systematischen Testen von Hypothesen zu schulen und mit der

Idee des Kontrollansatzes vertraut zu machen“ (HAMMANN 2004, S. 199). Im ersten Schritt

werden die Probanden mit der Planung eines Experiments vertraut gemacht. Die Identifikati-

on von Variablen (abhängige, unabhängige und Kontrollvariablen) sind primäre Ziele. Die

Einführung und Erläuterung der Begriffe abhängige und unabhängige Variable sowie Kon-

trollvariablen dienen als essentielle Grundlage der weiterführenden Arbeit. Erste Schritte zur

Identifizierung entsprechender Variablen werden eingeleitet. Thematisch basieren die Inhalte

der Sequenz weiterhin auf dem Problem der Bodenversalzung durch Bewässerung, so dass

eine gedankliche Fortsetzung des in Sequenz 4 beginnenden Experiments erfolgen kann. Im

zweiten Schritt werden die Begriffe und deren Bedeutungen gefestigt. Durch die Präsentation

von drei Experimentierplänen (s. Abb. 13), von denen nur einer (Marias Plan) aufgrund fal-

scher Kontrollvariablen (Laras Plan) bzw. fehlerhafter Variationen (Tims Plan) geeignet ist,

Hilfekarte Fragestellung formulieren

1. Beschreibe genau, was Du siehst. 2. Zu welchem Ergebnis kommst du? 3. Welche Frage könnte zuvor formuliert worden sein?

Denke daran: Die Frage muss überprüfbar (naturwissenschaftlich) sein!

82


müssen die Schülerinnen und Schüler selbstständig das Wissen zur Planung eines Experi-

ments anwenden, um das Experiment durchführen zu können.

Abbildung 13: Planung eines Experiments (Sequenz 5)

Die Lernenden entscheiden auf Grundlage der zuvor erläuterten Experimentierkriterien, wel-

cher Plan zur Durchführung des Experiments geeignet ist. Im dritten Schritt führen sie in ko-

operativer Lernform entsprechend dem problemlösenden Lernen das Experiment auf Basis

des zuvor gewählten Experimentierplans (Marias Plan) durch. Der richtige Experimentierplan

und die entsprechende Abbildung auf dem Arbeitsblatt leiten das imitatorische Vorgehen ein,

so dass der Öffnungsgrad als gering eingestuft wird. Die Ergebnisse werden in das Protokoll

(Marias Plan) eingetragen. Auf diese Weise werden die Probanden an das Protokollieren der

Ergebnisse herangeführt. Kennzeichen der Phase sind weiterhin vorskizzierte Arbeitspläne

(s. Anhang Kap. II AB 6 bis 8).


Ziel der Sequenz 6 ist die Einführung der Schülerinnen und Schüler in die vierte Teilkompe-

tenz anhand der abschließenden Datenauswertung des Experiments zur Bodenversalzung

durch Bewässerung. In der Auswertungsphase wird das Ergebnisprotokoll gesichtet und die

83


Beobachtungen formuliert. Daran schließt die Verifizierung und Falsifizierung der Hypothe-

sen an. Dieser Schritt der Auswertungsphase wird in dieser Sequenz, entsprechend der kon-

zeptionellen Planung der Intervention, angeleitet (s. Abb. 14).

Schau dir nun die Fragestellung und Hypothesen (Vermutungen)

noch einmal an. Schreibe die Hypothesen in die Tabelle. Welche

Hypothese kann bestätigt werden, trifft also zu? Welche Hypothe-

se kann widerlegt werden, trifft also nicht zu? Kreuze an!

Abbildung 14: Hypothesenüberprüfung (Sequenz 6)

Durch die Vorgabe und Vorstrukturierung des Arbeitsblattes werden die Schülerinnen und

Schüler schrittweise an die Auswertung, Interpretation und Methodenreflexion herangeführt

(s. Anhang Kap. II AB 10).

Sequenz 7 (Problem Aralsee)

Diese Sequenz beinhaltet die gezielte Wiederholung und Festigung der vorausgegangenen

Teilkompetenzen (Planung eines Experiments und Daten auswerten) am Beispiel Aralsee.

Als Einstieg in die Problemfindung wird eine Fotografie durch die Lehrkraft präsentiert, die

ein Schiffswrack und ein Wüstenkamel auf weißgefärbtem Boden zeigt. Die Schülerinnen

und Schüler lernen, dass Wasser durch Erwärmung verdunstet und Salz nicht. Die Transfe-

rierung der Erkenntnisse auf das Aralseeproblem erfolgt, so dass die Versalzung der Region

durch die Wasserverdunstung erklärt werden kann. Da der Schwerpunkt der Sequenz auf

der Förderung der Kompetenzen 3 und 4 liegt, werden die Problemfrage und Hypothesen

vorgegeben (s. Anhang Kap. II AB 11 bis 13). Das weitere Vorgehen entspricht den Konzep-

ten der Sequenzen 5 und 6, ist jedoch durch eine fortschreitende Reduktion der Vorstruktu-

rierung gekennzeichnet mit dem Ziel, die Schülerselbstständigkeit und Kompetenzkonstrukti-

on einzuleiten. Als Ergänzung zur Methode wird der Kontrollansatz eingeführt.

Hypothese ist bestätigt

Hypothese ist widerlegt

Hypothese (1):

Gegenhypothese (0):

84


Sequenz 8 (Phänomen Totes Meer)

In Sequenz 8 werden die Schülerinnen und Schüler den experimentellen Algorithmus erst-

mals vollständig durchlaufen. Thematisch wird das Phänomen Totes Meer behandelt, das

mit einer Fotografie in der Problemfindungsphase eröffnet wird. Ein Mann schwimmt auf dem

Wasser, ohne Schwimmbewegungen auszuführen. Inhaltlich lernen die Schülerinnen und

Schüler, dass Salzwasser eine höhere Dichte hat (schwerer ist) als Süßwasser und dadurch

die Tragfähigkeit erhöht wird. Anhand von Strukturhilfen in den sechs Dimensionen nach

PRIEMER (2011) in Form von vorstrukturierten Arbeitsblättern und Arbeitsmaterialien erarbei-

ten die Probanden die vier Teilschritte des Experiments einschließlich der praktischen Durch-

führung. Die Lehrersteuerung wird schrittweise in die Selbststeuerung übergeleitet. In dieser

Phase müssen zunächst selbstständig eine Fragestellung und Hypothesen formuliert wer-

den. Hilfestellung erfolgt durch graphische Abbildungen des Experimentaufbaus sowie durch

beratende Funktionen seitens der Lehrkraft und der Verwendungsmöglichkeit von Hilfekar-

ten. Neben der selbstständigen Formulierung der ersten beiden Teilkompetenzen konstruie-

ren die Probanden erstmals den Experimentierplan eigenständig (s. Anhang Kap. II AB 15 &

16) unter Berücksichtigung der Kriterien eines Experiments (Variablenidentifikation, Variati-

on, Kontrollansatz und Kontrollvariablen). Kennzeichen der Phase ist die Erhöhung der

Selbstständigkeit durch weitere Reduktion der Vorstrukturierung.

Sequenz 9 (Sprungschicht des Sees)

In Sequenz 9 wird die Konzeption der vorausgegangenen Sequenz aufgegriffen und weiter-

geführt. Der Öffnungsgrad wird geweitet und die Schülerselbstständigkeit und Aktivierung

nimmt zu, indem keine weiteren Hilfestellungen durch graphische Darstellungen oder Vor-

strukturierungen des Experimentierplans geboten werden. Durch kooperatives Lernen in

Form der positiven Interdependenz konstruieren die Probanden die Teilkompetenzen des

experimentellen Algorithmus selbstständig. Ausschließlich die Hilfekarten und die Vorberei-

tung der Materialien bieten Orientierungsmöglichkeiten. Die Vorstrukturierung zeigt keine

inhaltlichen Hilfen auf, sie bietet jedoch eine Anleitung zum Vorgehen. PRIEMER (2011) defi-

niert diese Vorgabe durch die Phasendimension (Vorgehen vorstrukturiert). Inhaltlich wird

kaltes und warmes Wasser auf Eigenschaftsunterschiede überprüft. Demnach ist kaltes

Wasser (bis 4°C) schwerer (aufgrund der höheren Dichte) als warmes Wasser. Die Schüler

überprüfen diese Eigenschaft durch das Experiment, in dem unterschiedlich temperiertes

Wasser durch Einfärbung geschichtet wird (s. Anhang Kap. II AB 18). Dieses Experiment

beinhaltet die inhaltlichen Voraussetzungen, welche die Probanden benötigen, um die letzte

Sequenz der Unterrichtseinheit bewältigen zu können

85


5.1.4 Offenes Experimentieren (Sequenz 10)

Die letzte Sequenz nimmt eine besondere Stellung in der Intervention ein, da diese als

Grundlage zur Evaluierung der 4. und 5. Forschungsfrage fungiert.

In der Problemfindungsphase wird am Stundenbeginn eine thematische Karte der Ostsee

präsentiert. Der Salzgehalt des Wassers wird dabei visualisiert. Er variiert regional von West

nach Nordost abnehmend (s. Abb. 15).

Das Phänomen wird in der Problemfindungsphase besprochen. Die Ostsee, ein Binnenmeer,

ist den Schülerinnen und Schülern bekannt. Laut Lehrplan wird in Hessen in der Jahrgangs-

stufe 5 die Unterrichtseinheiten „Deutschland im Überblick“ sowie „Ebbe und Flut bestimmen

das Leben an der Küste“ (KULTUSMINISTERKONFERENZ 2013b) in Realschulen und „Leben in

Räumen unterschiedlicher Naturausstattungen; Regionaler Schwerpunkt: Deutschland“

(KULTUSMINISTERKONFERENZ 2013c) in Gymnasien behandelt. Die Sichtung der schulinternen

Abbildung 15: Salzgehalt der Ostsee (Sequenz 10)

86


Stoffverteilungspläne der an der Intervention beteiligten Schulen verdeutlicht, dass das The-

ma in der Klassenstufe 5 behandelt wurde. Die Ostsee als Binnenmeer wird somit als be-

kannter Raum vorausgesetzt. Die Karte zeigt, dass der Salzgehalt der Ostsee von West

nach Nordost abnimmt. Im Westen ist die Ostsee durch die Wasserstraße des Skagerrak

zwischen Dänemark und Norwegen mit der Nordsee verbunden und zwischen Dänemark

und Schweden durch die Wasserstraßen Kattegat, Øresund, Großer Belt und Kleiner Belt.

Durch sie strömt das Salzwasser der Nordsee in die Ostsee. Im Nordosten fließt Süßwasser

der Flüsse in die Ostsee. Somit wird die Ostsee als Binnenmeer im Westen durch Salzwas-

ser und im Nordosten durch Süßwasser gespeist.

Die Lehrkraft präsentiert den Probanden einen Materialtisch (s. Anhang Kap. II Sequenz 10),

auf dem alle Materialien vorzufinden sind, die in den vorausgegangenen Lernsequenzen

verwendet wurden. Es handelt sich um eine Materialauswahl, bei der die Probanden selbst-

ständig entscheiden, welche Materialien sie bei der Planung und Durchführung verwenden.

Der Auftrag lautet, das Phänomen zu ergründen und zu erklären. In kompetitiver und koope-

rativer Arbeitsweise (Kleingruppen von drei bis vier Probanden) sollen die Schülerinnen und

Schüler selbstständig und selbstbestimmt dem Phänomen des unterschiedlichen Salzgehalts

der Ostsee nachgehen. Das Vorgehen wird von den Schülergruppen protokolliert und das

Protokoll abschließend der Lehrkraft übergeben. Die Vorstrukturierung basiert in dieser

Stunde ausschließlich auf der Vorgabe des Phänomens sowie des Materialtischs (Material-

pool). Auf weitere Strukturhilfen wird in dieser Sequenz verzichtet.

Ziel der Stunde ist die Überprüfung der Kompetenzen. Es wird erhoben, ob die Probanden

den Weg des experimentellen Algorithmus unter Beachtung der zuvor geförderten Teilkom-

petenzen vollziehen:

1. Fragestellung formulieren (naturwissenschaftlich und überprüfbar);

2. Hypothesen generieren (H1 Hypothese und H0 Gegenhypothese) mit Hypothesenrevisi-

on;

3. Planung eines Experiments (abhängiger Variable, unabhängigen Variablen, Kontrollva-

riablen und Kontrollansatz);

4. Daten auswerten (Beobachtung, Erklärung und Interpretation).

Entsprechend der konzeptionellen Planung erreicht der Öffnungsgrad in Sequenz 10 das

Maximum. Erläutert an den Dimensionen nach PRIEMER (2011) bedeutet dies, dass hinsicht-

lich der Strategie keine Vorgaben gemacht werden und diese Dimension durch ein hohes

Maß an Offenheit gekennzeichnet ist. Die Dimension der Methode erfährt ein mögliches Maß

an Offenheit. Demnach werden in den vorausgegangenen Sequenzen die Materialen expe-

rimentiergerecht vorbereitet, die Probanden erhalten vorbereitete Materialien an ihren Ar-

87


beitsplätzen zugeteilt. In dieser Phase wird die Graduierung geöffnet und die Probanden

müssen aus einem Materialpool auswählen, der auf einem Materialtisch durch die Lehrkraft

präsentiert wird. Das höchste Niveau der Offenheit – die Schülerinnen und Schüler wählen

frei ihren Materialbedarf aus und die Lehrkraft stellt diese anschließend zur Verfügung –

kann an dieser Stelle nicht erfolgen, um das standardisierte Verfahren der Intervention nicht

zu gefährden. Die Dimension Lösungsmöglichkeit bleibt aus dem gleichen Grund auf eine

Lösung beschränkt. Der Lösungsweg ist hingegen unbeschränkt. Die Probanden konstruie-

ren selbstständig einen Lösungsweg, der die Evaluierung des Phänomens ermöglicht. Wer-

den die Phasen (Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines Experi-

ments/Durchführung und Daten auswerten/Interpretation) und damit das Vorgehen in den

Sequenzen 1 bis 9 vorgegeben bzw. vorstrukturiert, so erreicht die Offenheit in der letzten

Sequenz das Maximum. Die Probanden erhalten keine Arbeitsblätter oder andere Vorgaben

zum Vorgehen. Der Fachinhalt wird nur insofern vorgegeben, als dass das Phänomen und

somit das Stundenthema zu Beginn der Sequenz aufgezeigt wird. Demnach erfolgt die Vor-

gabe des Fachinhalts. Dies ist notwendig, um die Evaluierung der Kompetenzentwicklung

der Probanden unter standardisierten Bedingungen gewährleisten zu können. Eine Übersicht

der Graduierung des Öffnungsgrades ist der Abbildung 16 zu entnehmen.

Abbildung 16: Öffnungsgrad der Unterrichtseinheit (verändert nach PRIEMER 2011, S. 325)

88


In Sequenz 10 erreicht die Intervention der Versuchsgruppe das höchstmögliche Maß an

Offenheit, eingebettet in den Ansatz des problemlösenden Lernens. Einen Überblick stellt

Tabelle 22 dar.

Tabelle 22: Konzeption des problemlösenden Lernens und Grad der Offenheit des Experimen-

tierens in Sequenz 10

Problemorientiertes Lernen (Grad der Schülerselbstständigkeit und Aktivierung)

aktiv konstruierend selbstgesteuert kooperativ

Fachinhalt Lehrer (Vorgabe des Fachinhalt)

Lehrer (fremdgesteuert)

Schüler (ein Fachinhalt vorgegeben)

Strategie Schüler (keine Vorgabe zur

Strategie)


Schüler (kooperativ;

keine Vorgabe) Methode Schüler/Lehrer

(Materialpool) Schüler/Lehrer

(Mischform) Schüler

(kooperativ durch Materialpool)

Lösung Lehrer (eine Lösungen)


Schüler (kooperativ; eine

Lösung) Lösungsweg Schüler/Lehrer

(mehrere bekannte Lösungswege)


Schüler (kooperativ; mehrere

Lösungsweg)

Offe

nes

Expe

rimen

tiere

n (G

rade

der

Offe

nhei

t)

Phase Schüler (keine Vorgabe zur

Vorgehen)


Schüler (kooperativ; Vorgehen

offen)

5.2 Vergleichsgruppe

Die Unterrichtseinheit der Vergleichsgruppe basiert auf der Unterrichtsmethode des gelenk-

ten Unterrichtsgesprächs. Die Fremdsteuerung durch den Lehrer, basierend auf Instruktion,

Anleitung und Darbietung, sind dabei maßgeblich. Die einzelnen Unterrichtsstunden ent-

sprechen jeweils dem gleichen Vorgehen, das durch einen informierenden a) Einstieg mit

Aktivierung des Vorwissens und Verortung gekennzeichnet ist, der b) Erarbeitung des Inhal-

tes und dem abschließenden c) Festigungsgespräch. Die b) Erarbeitung erfolgt durch stan-

dardisierte Informations- und Erarbeitungsblätter mit entsprechenden Fragestellungen zur

Thematik, so dass die Unterrichtssituationen der Vergleichsgruppen unter möglichst stan-

dardisierten und kontrollierten Bedingungen ablaufen. Eine Standardisierung der Unter-

richtseinheit der Vergleichsgruppe hinsichtlich der zeitlichen und inhaltlichen Komponente

wird gewährleistet, die zur Evaluierung der Ergebnisse erforderlich ist. Die inhaltlichen

Schwerpunkte der Sequenzen der Vergleichsgruppe entsprechen den Themen der Ver-

suchsgruppe und werden aufgrund der Zeitkomponente ergänzt bzw. vertieft. Die erste Se-

89


quenz ist dabei identisch mit der Unterrichtsstunde der Versuchsgruppe (Boden speichert

Wasser – Einführung in die Methode). Somit erhalten die Probanden der Versuchsgruppe

eine theoretische Einführung in die Methode des Experimentierens. Die weiteren Sequenzen

zielen unter Verwendung des gelenkten Unterrichtsgespräches und dem Medium des Infor-

mationsblattes auf die kognitive Förderung der geographischen Inhalte zum Thema Wasser

– Süßwasser- und Salzwasserphänomene/-probleme an ausgewählten Raumbeispielen –

ab. Das Konzept ist der Tabelle 23 zu entnehmen.

In den Unterrichtseinheiten der Versuchs- und Vergleichsgruppe werden Abbildungen ver-

wendet, die zum Verständnis der Inhalte zwingend erforderlich sind. Diese entsprechen stel-

lenweise den Abbildungen des paper-and-pencil-tests. Es wird darauf geachtet, dass keine-

Gruppe (Versuchs- oder Vergleichsgruppe) einen Vor- oder Nachteil bei der Beantwortung

des Leistungstests durch die in der Intervention verwendeten Graphiken erhält.

Tabelle 23: Konzeption der Unterrichtseinheit (Vergleichsgruppe)

Sequenz Thema Lerninhalte

1 Boden speichert Wasser Einführung in die Methode des Experimentie-rens

2 Kapillarkraft des Bodens

3" Kapillarkraft des Bodens

Kapillarkraft des Bodens - Boden leitet Unter-grundwasser entgegen der Schwerkraft an die Bodenoberfläche

4 Bodenversalzung durch Bewässerung

5" Bodenversalzung durch Bewässerung

Mineralsalze werden im Boden durch Wasser gelöst und gelangen durch die Kapillarkraft des Wassers an die Bodenoberfläche – eine Salz-kruste resultiert

6 Phänomen Aralsee

7" Phänomen Aralsee

aufgrund fehlender Zuflüsse reichert sich das Salz im Aralsee an – durch die Verdunstung des Wassers bleibt eine Salzwüste zurück

8 Tragfähigkeit des Salz-wassers

Phänomen Totes Meer

der hohe Salzgehalt des Toten Meeres erhöht die Tragfähigkeit des Wassers – Menschen können ohne Schwimmbewegungen schwim-men

9 Kalt-Warmströmungen in einem See

kälteres Wasser hat eine höhere Dichte (gerin-geres Volumen) als warmes Wassers – im Sommer entsteht eine Sprungschicht im See

10 Salzgehalt der Ostsee Salzwasser hat eine geringere Dichte als Süß-wasser – der Salzgehalt der Ostsee ist unter-schiedlich

90

6 Ergebnisse

6 Ergebnisse

Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt von der quantitativen zur qualitativen Analyse ent-

sprechend der methodischen Konzeption der Forschungsarbeit.

6.1 Normierungsstudie

In der Normierungsstudie wird die Lernausgangslage in einer Querschnittsstudie (ROST

2007. S. 134) erhoben. Die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler hinsichtlich der Me-

thode des Experimentierens sowie des Fachwissens zum Thema – Süßwasser- und Salz-

wasserphänomene/-probleme – werden untersucht, um daraus Rückschlüsse über die Güte

des Messinstruments ziehen zu können, Auswahlfaktoren der Interventions- und Evaluati-

onsstudie zu bestimmen und die abschließende Evaluierungen der Effektivität der Interventi-

on zu ermöglichen.

Um ein breites Spektrum des Kompetenzstandes erhalten zu können, werden Schülerinnen

und Schüler der Jahrgänge 5 bis 9 verschiedener Schularten mit Hilfe eines paper-and-

pencil-tests befragt. Der gymnasiale Bildungsweg wird dabei nicht berücksichtigt, da der Fo-

kus auf den niedrigeren Bildungswegen im Sinne einer gezielten Förderung leistungsschwä-

cherer Schülerinnen und Schüler liegt.

6.1.1 Experimentierkompetenz im Klassenstufenvergleich

Im ersten Schritt erfolgt die deskriptive Darstellung der Experimentierkompetenz der Schüle-

rinnen und Schüler, differenziert in die einzelnen Klassenstufen mit anschließendem Signifi-

kanztest zwischen den Jahrgangsstufen mittels T-Test. Dabei wird die gesamte Kompetenz,

addiert aus den einzelnen Teilkompetenzen der Methode, dargestellt.

91

6 Ergebnisse

Abbildung 17: Kompetenzgrad der Methode des Experimentierens (Klassenstufen 5 bis 9) (MW

+ 1 SD)

Deutlich wird, dass sich das Kompetenzniveau zwischen den einzelnen Jahrgangstufen un-

terscheidet. Vom Jahrgang 5 (N = 97; MW = 7,04; SD = 4,13) steigt das Niveau zum Jahr-

gang 6 (N = 251; MW = 9,06; SD = 4,28) und 7 (N = 162; MW = 10,45; SD = 4,88) an. Zur

Klassenstufe 8 fällt das Niveau um 2,17 Punkte im Mittel auf 8,28 Punkte (SD = 4,88). Die

Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 9 erreichen einen Kompetenzgrad von 9,38

Punkten im Mittel (SD = 5,61). Die Klassenstufen werden paarweise aufeinanderfolgend mit

dem T-Test auf statistische Unterschiede analysiert. Als statistisch relevant werden die fol-

genden Ergebnisse berichtet: Zwischen den Jahrgängen 5 und 6 (d = 0,77; p ‹ 0,001), 6 und

7 (d = 0,31; p = 0,002) sowie 7 und 8 (d = 0,45; p = 0,003) liegen jeweils signifikante Unter-

schiede vor, steigend von der Klassenstufe 5 zu 7 und abnehmend zur Jahrgangsstufe 8 mit

kleiner Effektstärke zwischen den Jahrgängen 6 und 7. Zwischen den Klassenstufen 8 und 9

liegen im Kompetenzgrad keine signifikanten Unterschiede vor (d = 0,21; p = 0,22).

6.1.2 Teilkompetenzen des Experimentierens im Klassenstufenvergleich

Weiterhin wird die Experimentierkompetenz in die vier Teilkompetenzen a) Fragestellung

formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Experiment planen, d) Daten auswerten sowie

nach Jahrgangsstufen differenziert und anhand der deskriptiven Statistik dargestellt. Die sta-

tistischen Prüfungen der Unterschiede durch den T-Test erfolgt nicht, da diese im vorausge-

XCI 3 Abkürzungserläuterungen: N = Anzahl; MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung

92

6 Ergebnisse

gangenen Kapitel erfolgten und die hier vorliegende Darstellung der differenzierten Ergän-

zung dient. Hier werden Median und Quartile als Maße der zentralen Tendenz berichtet, weil

diese die Daten aufgrund der Schiefe ihrer Verteilung genauer beschreiben als MW und SD.

Zur besseren Darstellung und Übersicht wird die maximal zu erreichende Punktzahl auf 6

Punkte geteilt, indem die Gesamtkompetenz (maximal 24 zu erreichende Punkte) rechne-

risch durch 4 dividiert wird. Es resultiert eine bessere Übersicht, auch im Vergleich zum

Fachwissen (siehe unten) ohne Ergebnisbeeinflussung.

Abbildung 18: Kompetenzgrad der Teilkompetenzen der Methode des Experimentierens (Klas-

senstufen 5 bis 9)

Bei maximal 6 zu erreichenden Punkten werden die folgenden Ergebnisse für die einzelnen

Kompetenzbereiche deutlich (s. Abb. 18; Tab. 24):

93

6 Ergebnisse

Tabelle 24: Kompetenzgrad der Teilkompetenzen des Experimentierens (Klassenstufen 5 bis 9)

mit N, Median und Quartile

5 6 7 8 9

N 97 251 162 60 84

Median 0 2 2 2 2 Fragestellung formulieren

Quartile 0-2 1-3 1-3 1-3 1-3

N 97 251 162 60 84

Median 2 3 3 2 2 Hypothesen generieren

Quartile 1-3 2-4 2-4 1-3 1-3

N 97 251 162 60 84

Median 0 2 2 2 2 Experiment planen

Quartile 0-2 1-3 1-3 1-3 1-3

N 97 251 162 60 84

Median 3 4 4,5 2,5 2 Daten auswerten

Quartile 2-4 3-5 3,5-5,5 1,5-3,5 1-3

Entsprechend der Experimentierkompetenz erreichen die Schülerinnen und Schüler des

Jahrgangs 7 insgesamt das höchste Kompetenzniveau. Insbesondere in den Teilkompeten-

zen Hypothesen generieren (Median = 3) und Daten auswerten (Median = 4,5) haben die

Probanden den höchsten Kompetenzstand. Die Schülerinnen und Schüler der Klassenstufe

6 verzeichnen entsprechend das zweithöchste Niveau in der Teilkompetenz Hypothesen

generieren (Median = 3) und im Bereich Daten auswerten (Median = 4). Den geringsten

Kompetenzstand erreichen die Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 5, insbesonde-

re in den Teilkompetenzen Fragestellung formulieren (Median = 0) und Experiment planen

(Median = 0).

6.1.3 Teilkompetenzen des Experimentierens im Vergleich (Gesamtstichprobe)

Ergänzend werden die Teilkompetenzen der Experimentierkompetenz in der Gesamtstich-

probe betrachtet und auf signifikante Unterschiede getestet.

94

6 Ergebnisse

Abbildung 19: Vergleich der Teilkompetenzen (MW + 1 SD)

Es werden Unterschiede zwischen den Teilkompetenzen deutlich. Eine Reihenfolge mit zu-

nehmendem Kompetenzgrad wird ermittelt: Fragestellung formulieren → Planung → Hypo-

thesen generieren → Auswertung. Die paarweisen Vergleiche der Teilkompetenzen belegen

signifikante Unterschiede zwischen allen Teilkompetenzen (p < 0.001) mit Ausnahme der

Teilkompetenzen Fragestellung formulieren und Planung (Bonf. = 1,0).

6.1.4 Fachwissen im Klassenstufenvergleich

Neben der methodischen Kompetenz wird das Fachwissen zum Thema – Süßwasser- und

Salzwasserphänomene/-probleme – erhoben. Der deskriptiven Darstellung folgt die statisti-

sche Prüfung mittels T-Test.

Abbildung 20: Kompetenzgrad des Fachwissenstest (Klassenstufen 5 bis 9) (MW + 1 SD)

1,59! 2,35! 1,72! 3,40!0!

1!

2!

3!

4!

5!

6!

Fragestellung!formulieren!

Hypothesen!generien! Planung! Auswertung!

Vergleich"der"Teilkompetenzen"SD!=!1,96!

SD!=!1,91!SD!=!1,15!

SD!=!1,63!

95

6 Ergebnisse

Die Probanden der Jahrgangsstufe 5 (N = 89) erreichen im Fachwissenstest im Mittel 1,67

Punkte (SD = 1,40). In der Jahrgangsstufe 6 (N = 234) werden 1,75 Punkte (SD = 1,30) be-

legt. Die Schülerinnen und Schüler verzeichnen in der Klassenstufen 7 (N = 148) 2,11 Punk-

te im Mittel (SD = 1,30) und die Probanden der Jahrgangsstufe 8 (N = 54) 1,76 Punkte (SD =

1,20). In der Klassenstufe 9 (N = 73) werden 2,38 Punkte im Mittel (SD = 1,48) erhoben. Die

statistischen Prüfungen mit dem T-Tests durch paarweise Vergleiche der aufeinanderfolgen-

den Klassenstufen zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Jahrgangsstufen 6 und 7

(d = 0,28; p = 0,009) sowie 8 und 9 (d = 0,46; p = 0,01). Die Effektstärke zwischen den Jahr-

gängen 6 und 7 wird als schwach bezeichnet. Die Ergebnisse der verbleibenden Überprü-

fungen sind statistisch nicht signifikant. Auch zwischen den Jahrgangsstufen 7 und 9 werden

keine statistisch signifikanten Unterschiede aufgezeigt (d = 0,19; p = 0,16), obwohl eine Zu-

nahme um 0,27 Punkte im Mittel deutlich wird. Demnach erreichen die Schülerinnen und

Schüler der Klassenstufe 9 das höchste nicht signifikant relevante Niveau im Fachwissens-

test.

6.1.5 Schulartenvergleich (Experimentierkompetenz und Fachwissen)

Die Darstellung und statistische Überprüfung auf signifikante Unterschiede hinsichtlich der

unterschiedlichen Schularten erfolgt durch deskriptive Datenanalyse sowie durch den T-Test.

Untersucht werden die Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 5 bis 7, die in den

Schularten Haupt-, Realschule und IGS vertreten sind. Auf die Darstellung der Jahrgangsstu-

fen 8 und 9 wird an dieser Stelle, aufgrund der Gleichheit des hessischen Lehrplans und

schulinterner Lehrpläne, verzichtet.

96

6 Ergebnisse

Abbildung 21: Experimentierkompetenz und Fachwissen im Schulformvergleich (Klassenstu-

fen 5-7) (MW + 1 SD)

Innerhalb der Experimentierkompetenz werden für die verschiedenen Schularten folgende

Ergebnisse deutlich: Integrierte Gesamtschule (IGS) (N = 353) (Experimentierkompetenz:

MW = 2,39, SD = 1,13; Fachwissen: MW = 1,89, SD = 1,35), Realschule (N = 72) (Experi-

mentierkompetenz: MW = 2,38, SD = 1,00; Fachwissen: MW = 2,03, SD = 1,35) und Haupt-

schule (N = 41) (Experimentierkompetenz: MW = 1,12, SD = 0,65; Fachwissen: MW = 1,10,

SD = 0,89).

Die statistische Überprüfung ergibt Unterschiede in der Experimentierkompetenz zwischen

den Schularten IGS und Hauptschule (d = 1,38; p ‹ 0,001) sowie zwischen Realschule und

Hauptschule (d = 1,49; p ‹ 0,001) mit jeweils signifikanten Unterschieden und großen Effekt-

stärken. Im Fachwissen werden ebenfalls signifikante Unterschiede und mittlere Effektstär-

ken zwischen IGS und Hauptschule (d = 0,69; p ‹ 0,001) und große Effektstärken zwischen

Realschule und Hauptschule (d = 0,81; p ‹ 0,001) belegt. Zwischen den Ergebnissen der IGS

und Realschule liegen keine signifikanten Unterscheide vor (Experimentierkompetenz d =

0,01, p = 0,89; Fachwissen d = 0,1, p = 0,44).

2,39! 2,38! 1,12!1,89! 2,03! 1,1!0!

1!

2!

3!

4!

Integrierte!Gesamtschule!

Realschule! Hauptschule!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."6)"

Schulartenvergleich"

ExperimenKerkompetenz!

Fachwissen!

SD!=!1,35!

SD!=!0,65!

SD!=!1,35!SD!=!1,00!

SD!=!0,89!

SD!=!1,13!

97

6 Ergebnisse

6.1.6 Geschlechterspezifische Effekte (Experimentierkompetenz und Fachwissen)

Unterschiede zwischen den weiblichen und männlichen Probanden werden deskriptiv darge-

stellt und mittels T-Test und Cohens d auf signifikante Unterschiede geprüft.

Abbildung 22: Experimentierkompetenz und Fachwissen im Geschlechtervergleich (MW + 1 SD)

Zwischen den Geschlechtern werden leichte, allerdings nicht signifikante Unterschiede deut-

lich. Hinsichtlich des Kompetenzgrades erreichen die weiblichen Teilnehmerinnen (N = 328)

im Mittel 2,38 Punkte und damit einen nicht signifikant höheren Wert als die männlichen Pro-

banden (N = 329) mit 2,22 Punkten (d = 0,16; p = 0,07). Im Fachwissenstest erreichen die

Schülerinnen 1,94 Punkte im Mittel und die Schüler 1,86 Punkte. Der T-Test berichtet keine

signifikanten Unterschiede, die Effektstärke ist sehr gering (d = 0,06; p = 0,48).

6.1.7 Zusammenhang zwischen kognitiven Leistungsniveau, Experimentierkompetenz

und Fachwissen

Im Folgenden wird der Zusammenhang der kognitiven Voraussetzungen (exemplarisch an

den Zeugnisnoten Erdkunde und Biologie) und der Experimentierkompetenz und dem Fach-

wissen der Jahrgänge 5 bis 9 (5 N = 89; 6 N =234; 7 N = 148; 8 N = 54; 9 N = 73) betrachtet.

Die Zeugnisnote Biologie wurde gewählt, da es sich um das einzige naturwissenschaftliche

Fach handelt, das in den Jahrgängen 5 und 6 in Hessen unterrichtet wird. Demnach können

Rückschlüsse darüber gewonnen werden, ob Zusammenhänge zwischen der Biologienote

und der Experimentierkompetenz vorliegen. Es wird die Korrelation nach Spearman verwen-

det.

98

6 Ergebnisse

Tabelle 25: Korrelationen nach Spearman zwischen Methoden- und Fachkompetenz sowie

Zeugnisnoten

Zeugnisnote

Erdkunde

Zeugnisnote

Biologie

Experimentier-kompetenz

Experimentier-kompetenz

-0,3** -0,2** -

Fachwissen

-0,1** -0,1** 0,4**

** Die Korrelation ist auf dem 0,01 Niveau signifikant (zweiseitig).

Die Korrelation zwischen dem Kompetenztest Experimentieren und den Schulnoten ist nur

schwach (ρ4 = -0,3 Erdkunde; ρ = -0,2 Biologie). Auch der Zusammenhang zwischen dem

Fachtest und den Zeugnisnoten kann mit ρ = -0,1 (Erdkunde und Biologie) als sehr schwach

bezeichnet werden. Zwischen den Kompetenztests der Methode des Experimentierens so-

wie des Fachwissens wird ein Zusammenhang von ρ = 0,4 deutlich. Es liegt demnach ein

mittlerer Zusammenhang zwischen der Methodenkompetenz und dem Fachwissen vor.

6.1.8 Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissenstest

Im paper-and-pencil-test haben die Schülerinnen und Schüler ihre Kompetenz in der Metho-

de des Experimentierens eingeschätzt und anschließend drei Testfragen zur Methode be-

antwortet. Um den Zusammenhang zwischen der Selbsteinschätzung und dem Vorwissen

erheben zu können, erfolgt im ersten Schritt eine Beschreibung der Ergebnisse durch eine

Kreuztabelle. Im zweiten Schritt werden Zusammenhänge anhand der Korrelation Kendall

Tau b analysiert.

XCVIII 4 Korrelation nach Spearman ρ (rho)

99

6 Ergebnisse

Tabelle 26: Kreuztabelle zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissenstest

Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (N=556)

Vorwissen (Punkte)

0 1 2 3

Gesamt

N 13 12 14 9 48 1 sehr gut

% 27,1% 25,0% 29,2% 18,8% 100,0%

N 69 96 74 49 288 2 gut

% 24,0% 33,3% 25,7% 17,0% 100,0%

N 59 68 64 24 215 3 mittelmäßig

% 27,4% 31,6% 29,8% 11,2% 100,0%

N 2 2 1 0 5

Selbsteinschätzung

4 schlecht % 40,0% 40,0% 20,0% 0,0% 100,0%

N 143 178 153 82 556 Gesamt

% 25,7% 32,0% 27,5% 14,7% 100,0%

Insgesamt hat der größte Anteil der Probanden eine gute Selbsteinschätzung (N = 288) hin-

sichtlich der Methode des Experimentierens angegeben. Gleichzeitig erreichen prozentual

die meisten Schülerinnen und Schüler einen geringen Vorwissensstand mit einem von drei

Punkten (32 %) im Vorwissenstest. Die statistische Überprüfung der Korrelation bestätigt

dies. Der Korrelationskoeffizient beträgt -0,05, (p = 0,16) es liegt kein Zusammenhang zwi-

schen Selbsteinschätzung und Vorwissen vor.

6.2 Kontrolle der Störvariablen (Interventionsstudie)

Bevor die Ergebnisse der Interventionsstudie vorgestellt werden können, werden die Störfak-

toren betrachtet, die Einfluss auf die Ergebnisse nehmen können. Nach BORTZ und DÖRING

(2006) sind Störvariablen alle auf die abhängige Variable einflussnehmende Größen, die in

der Untersuchung nicht kontrolliert werden können. HELMKE (2006) benennt drei übergeord-

nete Faktoren, die die Kompetenzförderung und Evaluierung beeinflussen können: Individu-

elle Eingangsvoraussetzung, Lehrperson und Unterrichtsqualität. Weitere Einflussfaktoren

wirken aus dem Umfeld der Lernenden. Um Rückschlüsse über die Kompetenzentwicklung

ziehen zu können, müssen diese Störfaktoren weitestgehend kontrolliert werden oder, wenn

dies nicht möglich ist, eine breite Varianz belegen. Die Störfaktoren werden betrachtet, um

die Vergleichbarkeit der Gruppen zu gewährleisten. Anzustreben sind möglichst homogene

Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppen), um den Einfluss von Störvariablen auf die ab-

hängigen Variablen gering halten zu können (ROST 2007; S. 71).

BORTZ und DÖRING (2006) benennen die Kontrolle der wichtigsten Einflussfaktoren auf die

abhängige Variable als entscheidend. Die Ergebnisse der Normierungsstudie zeigen, dass

100

6 Ergebnisse

insbesondere das Alter (Jahrgangsstufe) und die Schulart Einfluss auf die abhängige Varia-

ble nehmen können. Um eine größtmögliche Homogenität der Gesamtstichprobe zu ermögli-

chen, wird das Alter der an der Interventionsstudie teilnehmenden Probanden mit dem Jahr-

gang 6 konstant gehalten. Die Wahl der Jahrgangsstufe wird damit begründet, dass die

Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler in der 6. Klassenstufe homogen sind und es

weiterhin keine signifikanten Unterschiede im Schulartenvergleich der IGS und Realschule

gibt. Außerdem wird Erdkunde in Hessen laut den hessischen Lehrplänen in den Jahrgängen

7 und 8 der Realschulen nicht unterrichtet. Die Schulart wird auf IGS und Realschule einge-

grenzt, da keine signifikanten Unterschiede im Kompetenzgrad zwischen den Schülerinnen

und Schülern dieser Schularten festgestellt wird (s. Kap. 6.1.5).

Im Weiteren werden die Eingangsvoraussetzungen anhand der an der Hauptstudie (Inter-

vention) teilnehmenden Schülerinnen und Schüler (Jahrgang 6; IGS und Realschule) darge-

stellt und analysiert, um vergleichbare Ausgangssituationen gewährleisten zu können. Leich-

te Abweichungen in den Fallzahlen können aufgrund fehlender Angaben möglich sein.

Tabelle 27: Eingangsvoraussetzungen der Interventionsstudie

Ergebnisse im Pretest

Kla

sse

Tr

eatm

ent

Schu

le

Schu

lart

Lehr

kraf

t

Anz

ahl N

Experimentier-

kompetenz

(max. 24 Punkten)

A Versuchsgruppe 1 IGS 1 26 9,77

B Versuchsgruppe 1 IGS 2 27 9,52

C Versuchsgruppe 1 IGS 1 18 9,06

D Versuchsgruppe 1 IGS 2 26 11,19

E Versuchsgruppe 2 FS 3 15 7,89

F Vergleichsgruppe 1 IGS 4 22 7,89

G Vergleichsgruppe 3 R 5 20 8,85

H Vergleichsgruppe 3 R 6 18 10,83

I Vergleichsgruppe 3 R 7 19 9,47

Gesamt 191 9,06

Die Geschlechterverteilung der Gesamtstichprobe in der Interventionsstudie entspricht einer

Gleichverteilung mit 49,7% weiblichen Teilnehmerinnen und 50,3% männlichen Teilnehmern.

Bei der Auswahl der Variablen Lehrkräfte und Schulen wurde eine breite Differenziertheit

gewählt, um die Einflussfaktoren der Lehrenden sowie schulspezifischer Faktoren möglichst

gering zu halten. Eine Erhöhung der Repräsentativität ist anzustreben. Die Verteilung der

101

6 Ergebnisse

Probanden (Lehrkräfte, Gruppengröße) auf die Treatmentgruppen wurde bereits dargestellt

(s. Tab. 27 ). Es ergeben sich nur geringfügige Unterschiede, beispielsweise in dem Faktor

Gruppengröße, so dass von den äußeren Bedingungen keine Störeffekte zu erwarten sind.

Möglichst homogene Gruppen im Ausgangsniveau sind bei der Verteilung der Klassen auf

die Treatmentgruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppen) anzustreben, um vergleichbare

Rückschlüsse nach der Intervention ziehen zu können. Dafür erfolgt ein Vergleich des Kom-

petenzniveaus zwischen den Treatmentgruppen im Pretest (s. Abb. 23).

Abbildung 23: Kontrolle der Störvariable Treatmentgruppen (MW + 1 SD)

Die Versuchsgruppe (N = 111) erreicht in der Experimentierkompetenz im Pretest einen Mit-

telwert von 9,63 (SD = 4,39) und die Vergleichsgruppe (N = 69) einen Mittelwert von 9,28

(SD = 3,62). Die unterschiedlichen Treatmentgruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppe)

weisen hinsichtlich des Kompetenzniveaus keine signifikanten Unterschiede (d = 0,09; T-

Test p = 0,58.) auf. Die Verteilung der Schülerinnen und Schüler auf die Gruppen ist homo-

gen, vergleichende Rückschlusse aus den Verfahren Posttest und Follow-Up können gezo-

gen werden.

Ein entscheidender Einflussfaktor sind die Schularten, wie in der Normierungsstudie deutlich

wurde. Um eine möglichst hohe Homogenität gewährleisten zu können, werden die Schular-

ten Realschule und IGS für die Studie gewählt, da diese keine Unterschiede im Kompetenz-

niveau in der Normierungsstudie aufzeigen. Auf die Auswahl von Hauptschulklassen wird

verzichtet, da diese ein deutlich niedrigeres Kompetenzniveau aufweisen. Betrachtet man die

Ergebnisse des Kompetenztests im Prettestverfahren hinsichtlich des Schulartenvergleiches

(s. Abb. 24), so werden die Ergebnisse der Normierungsstudie bestätigt.

9,63! 9,28!0!

5!

10!

15!

20!

Versuchsgruppe! Vergleichsgruppe!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."24)"

Störvariable:"Treatmentgruppen"

SD!=!4,39! SD!=!3,62!

102

6 Ergebnisse

Abbildung 24: Kontrolle der Störvariable Schulart (MW + 1 SD)

Das Leistungsniveau der Schülerinnen und Schüler der Schulformen IGS und Realschule im

Jahrgang 6 entsprechen: IGS (N=130; MW=9,08; SD=4,38) und Realschule (N=59;

MW=9,08; SD=4,33). Die statistische Überprüfung der Gruppen zeigt keine Signifikanz (d =

0; T-Test p = 0,99.), so dass eine Homogenität der Probanden gewährleistet ist.

An der Interventionsstudie sind sieben Lehrpersonen beteiligt, die aufgrund unterschiedlicher

Voraussetzungen (Lehrereffekt) Einfluss auf das Ergebnis nehmen können. Daher werden

die Lehrerinnen und Lehrer hinsichtlich ihrer Lerngruppen und deren Ergebnisse im Pretest

verglichen (s. Abb. 25).

9,08! 9,08!0!

5!

10!

15!

20!

IGS! Realschule!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."24)"

Störvariable:"Schulart"

SD!=!4,38! SD!=!4,33!

103

6 Ergebnisse

Lehrkraft Mittelwert

(MW)

Standardabweichung

(SD)

Lernende

(N)

1 9,47 4,02 44

2 10,34 4,78 53

3 7,66 2,46 12

4 7,89 2,64 19

5 8,84 3,02 13

6 10,83 4,10 18

7 9,47 4,02 19

Gesamt 9,53 4,06 178

Abbildung 25: Kontrolle der Störvariable Lehrkraft

Es liegen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Lehrkräften vor (ANOVA p = 0,13.).

Ausgehend von den verschiedenen Störvariablen Lehrkräfte, Schulart (IGS und Realschule)

sowie der Verteilung der Lernenden auf die unterschiedlichen Treatmentgruppen, sind ver-

gleichbare Voraussetzungen geben.

Die Kontrolle des Aspekts Unterrichtsqualität wurde bereits in Kapitel 4.3.2 vorgestellt, so

dass durch die vorausgegangene Instruktion in Kombination mit vorgefertigten Materialmap-

pen von einem einheitlichen Vorgehen ausgegangen wird.

Das Umfeld der Lernenden (sozioökonomische Bedingungen, Klassenklima usw.) kann in

der vorliegenden Studie aufgrund fester Klassengefügen nicht kontrolliert werden. Hinsicht-

0!

5!

10!

15!

20!

1! 2! 3! 4! 5! 6! 7!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."24)"

Störvariable:"LehrkräHe"

104

6 Ergebnisse

lich der an der Studie beteiligten Schularten, ist von einer breiten Varianz auszugehen. Wei-

terhin liegen alle an der Studie teilnehmenden Schulen im ländlichen Raum, so dass bezüg-

lich dieses Faktors von weitgehend gleichen Lernumgebungen ausgegangen werden kann.


In der ersten Forschungsfrage wird die Lerneffektivität des problemlösenden Ansatzes im

Vergleich zum fragend-gelenkten Ansatz hinterfragt. Positive Effekte im Lernzuwachs der

Versuchsgruppe werden zum einen in der gesamten Experimentierkompetenz erwartet und

zum anderen in den einzelnen Teilkompetenzen der Methode. Demnach wird im Verlauf der

Ergebnisdarstellung der Lerneffekt der Intervention differenziert nach den einzelnen Teil-

kompetenzen a) Fragestellung formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Planung eines Ex-

perimentes, d) Daten auswerten in der Kurz- und Langzeitwirkung untersucht. Ziel ist eine

spezifische Analyse der Teilkompetenz des Experimentierens zur detaillierten Evaluierung

der Forschungsfrage 1. Anschließend erfolgt die Analyse der Forschungsfragen 2, die die

Lernausgangslage und den damit vermuteten erhöhten Lernzuwachs von leistungsstärkeren

Schülerinnen und Schülern hinsichtlich des problemlösenden Ansatzes (Versuchsgruppe) im

Fokus hat. In der Forschungsfrage 3 wird von positiven Effekten der Versuchsgruppe bezüg-

lich des Fachwissens ausgegangen, die in weiteren Analysen der Interventionsstudie unter-

sucht werden.

Die Auswahl der statistischen Testverfahren erfolgt entsprechend der Voraussetzungen der

Fachliteratur. Zunächst werden die Ergebnisse der Gruppen deskriptiv (MW, SD) dargestellt

und auf Signifikanzen anhand des T-Tests geprüft. Die detaillierte Analyse der Messwieder-

holung erfolgt anschließend jeweils in zwei Schritten. Im ersten Schritt werden (a) die Grup-

penergebnisse der drei Messzeitpunkte gegenübergestellt und auf Signifikanz getestet (T-

Test). Es erfolgen demnach drei Signifikanztests zwischen den Gruppen zu den Messzeit-

punkten 1 (T1 Pretest), 2 (T2 Posttest) sowie 3 (T3 Follow-Up). Im zweiten Schritt (b) wird

die Signifikanz der Gruppenentwicklung im Vergleich vom Messzeitpunkt 1 (T1 Pretest) zum

Messzeitpunkt 2 (T2 Posttest) sowie vom Messzeitpunkt 1 zum Messzeitpunkt 3 (T3 Follow-

Up) anhand der Varianzanalyse (allgemeines lineares Modell) mit Messwiederholung analy-

siert, um kurz- und langfristige Effekte der Kompetenzentwicklung im Gruppenvergleich be-

richten zu können. Da die Analyse des Kompetenzgrades im zeitlichen Verlauf (T1, T2 und

T3) mit listenweisem Fallausschluss erfolgt, werden nur die Schülerergebnisse gewertet, die

bei allen drei Messzeitpunkten den Fragebogen ausfüllen konnten. Aus diesem Grund kön-

nen im weiteren Verlauf der Ergebnisdarstellungen leichte Abweichungen der Fallzahlen auf-

treten, wenn die Analyse ohne listenweisen Fallausschluss erfolgt (z. B. Kap. 6.3.6).

105

6 Ergebnisse

6.3.1 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich der Experimentierkompetenzen (Versuchs- und

Vergleichsgruppe)

Um die Lernwirksamkeit der Intervention überprüfen zu können, wird der Effekt der Interven-

tion auf den Kompetenzstand der Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppe) aufgezeigt.

Der Kompetenzzuwachs der Versuchs- und Vergleichsgruppe in der Methode des Experi-

mentierens ist im Folgenden in einer Übersichtstabelle dargestellt (s. Tab. 28). Es konnten

maximal 24 Punkte im Kompetenztest erreicht werden.

Tabelle 28: Ergebnisse des T-Tests im Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich (Experimentierkompe-

tenz)

Mittelwert N Standardabweichung

(SD)

p (2 seitig)

T1 10,24 68 4,77

T2 19,29 68 3,95

0,00

T1 10,24 68 4,77

T3 13,34 68 4,93

0,00

T2 19,29 68 3,95

Versuchsgruppe

T3 13,34 68 4,93

0,00

T1 8,63 49 4,48

T2 10,33 49 4,23

0,16

T1 8,63 49 4,48

T3 10,16 49 3,36

0,16

T2 10,33 49 4,23

Vergleichsgruppe

T3 10,16 49 3,36

0,76

Im Gruppenvergleich (Versuchs- und Vergleichsgruppe) erfolgt (a) eine Varianzanalyse mit

Messwiederholung entsprechend der drei Messzeitpunkte (T1 Pretest, T2 Posttest und T3

Follow-Up) mit statistischer Überprüfung des jeweiligen Kompetenzniveaus (einfaktorielle

ANOVA), so dass anschließend (b) die Kompetenzentwicklung zwischen den einzelnen

Gruppen anhand der Varianzanalyse verglichen werden kann.

106

6 Ergebnisse

Abbildung 26: Messwiederholung der Experimentierkompetenz im Gruppenvergleich (Pre-

/Post-/Follow-Up-Vergleich)

(a) Der Leistungsstand der beiden Gruppen im Pretest (T1) weist keine signifikanten Unter-

schiede (T1 d = 0,35; p = 0,068) auf: Versuchsgruppe (MW = 10,24; SD = 4,77), Vergleichs-

gruppe (MW = 8,63; SD = 4,48). Im Messzeitpunkt 2 (Posttest T2) treten signifikante Unter-

schiede zwischen der Versuchsgruppe (MW = 19,29; SD 3,95) und Vergleichsgruppe (MW =

10,33; SD = 4,23) auf (T2 d = 2,19; p < 0,001). Die Versuchsgruppe zeigt demnach ein we-

sentlich höheres Kompetenzniveau im Posttest (T2) mit starken Effekten. Dieses fällt zum

Messzeitpunkt 3 (Versuchsgruppe MW = 13,34; SD = 4,93) ab, unterscheidet sich jedoch

noch immer signifikant mit mittleren Effekten (T3 d = 0,65; p < 0,001) zur Vergleichsgruppe

(MW = 10,16; SD = 3,36).

(b) Die Kompetenzentwicklung der Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppe) weist signifi-

kante Unterschiede zwischen den Messzeitpunkten T1 (Pretest) und T2 (Posttest) (p <

0,001) auf. Ein positiver Effekt der Kompetenzentwicklung der Versuchsgruppe ist zu ver-

zeichnen. Zwischen T1 (Pretest) und T3 (Follow-Up) werden ebenfalls signifikante Unter-

schiede deutlich (p = 0,01). Ein positiver Effekt der Versuchsgruppe gegenüber der Ver-

gleichsgruppe in der Kompetenzentwicklung ist feststellbar.

Abschließend werden die Ergebnisse der Messwiederholung der einzelnen Klassen im Pre-/

Post- und Follow-Up-Vergleich zur Übersicht dargestellt. Die Klassen 1 bis 5 entsprechen

der Versuchsgruppen die Klassen 6 bis 9 der Vergleichsgruppe.

107

6 Ergebnisse

Abbildung 27: Messwiederholung der Experimentierkompetenz im Klassenvergleich (Pre-/Post-

/Follow-Up-Vergleich)

Die Darstellung dient der allgemeinen Übersicht und wird nicht auf statistische Unterschiede

getestet. Die Klassen 1 bis 5 entsprechen der Versuchsgruppe. Sie zeigen einen ähnlichen

Kompetenzverlauf der beteiligten Klassen innerhalb der drei Messzeitpunkte. Die Klasse 5

konnte an der dritten Erhebung nicht teilnehmen, da sie nach den Sommerferien 2012

aufgelöst wurde. In dieser Darstellung wurden die entsprechenden Ergebnisse der Klasse 5

zu den Messzeitpunkten T1 und T2 aufgenommen, um zu verdeutlichen, dass die

Entwicklung der Schülerinnen und Schülern nicht von der Entwicklung der verbleibenden

Versuchsgruppen (Klassen 1 bis 4) abweicht. Anzumerken ist, dass die Klasse 5 in den

Berechnungen der Experimentierkompetenz und den noch folgenden Teilkompetenzen

sowie dem Fachwissenstest aufgrund des listenweisen Fallausschusses keine

Berücksichtigung findet.

108

6 Ergebnisse

Innerhalb der Vergleichsgruppen fällt insbesondere die Klasse 8 auf, deren Schülerinnen und

Schüler im Test der Experimentierkompetenz von T1 zu T3 eine abnehmende Punktzahl

erreichen.

6.3.2 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich der Teilkompetenzen des Experimentierens (Ver-

suchs- und Vergleichsgruppe)

In der weiteren Analyse werden die Kompetenzentwicklungen der Versuchs- und Ver-

gleichsgruppe hinsichtlich der vier Teilkompetenz des Experimentierens a) Fragestellung

formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Planung eines Experimentes, d) Daten auswerten

detailliert untersucht. Im Kompetenztest konnten jeweils maximal 6 Punkte erreicht werden.

Zur Analyse der Kompetenzentwicklung im Gruppenvergleich wird die Varianzanalyse mit

Messwiederholung verwendet.

6.3.2.1 Teilkompetenz Fragestellung formulieren

Abbildung 28: Messwiederholung der Teilkompetenz Fragestellung formulieren im

Gruppenvergleich (Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich)

(a) Die Versuchsgruppe erreicht in der Teilkompetenz Fragestellung formulieren im Pretest

(T1) einen Kompetenzgrad von MW = 1,33 (SD = 1,6). Das Kompetenzniveau der Ver-

gleichsgruppe entspricht einem Ausgangswert von MW 1,13 (SD = 1,5), so dass keine signi-

fikanten Unterschiede zwischen dem Leistungsniveau der Gruppen vorliegen (T1 d = 0,13; p

= 0,84). Im Posttest (T2) erreicht die Versuchsgruppe ein höheres Kompetenzniveau (MW =

4,20; SD = 1,86) im Vergleich zur Versuchsgruppe (MW = 1,92; SD = 1,48) mit einer deutli-

109

6 Ergebnisse

chen Signifikanz und starken Effekten zwischen dem Kompetenzgrad der Gruppen (T2 d =

1,36; p < 0,001). Zum dritten Messzeitpunkt (T3) fällt das Kompetenzniveau der Versuchs-

gruppe (MW = 2,38; SD = 1,86) um 1,82 Punkte sowie der Vergleichsgruppe (MW = 1,88;

SD = 1,72) um 0,04 Punkte ab und unterscheidet sich nicht mehr signifikant (T3 d = 0,28; p

= 0,14).

(b) Die Varianzanalyse mit Messwiederholung weist hinsichtlich der Entwicklung vom Mess-

zeitpunkt T1 zu T2 zwischen den Gruppen auf signifikante Unterschiede (p < 0,001) hin.

Demgegenüber ist die Entwicklung vom Messzeitpunkt T1 zu T3 zwischen den Gruppen

nicht signifikant (p = 0,39).

Zusammenfassend erfolgt demnach in der Teilkompetenz Fragestellung formulieren die

Kompetenzentwicklung in den Gruppen bei vergleichbarer Ausgangssituation im Pretest zu-

nächst signifikant unterschiedlich. So erlangen die Schülerinnen und Schüler der Versuchs-

gruppe einen kurzfristigen positiven Effekt in der Kompetenzzunahme vom ersten (Pretest)

zum zweiten (Posttest) Messzeitpunkt mit einem Kompetenzzuwachs um 2,87 Punkte im

Mittel, der signifikant unterschiedlich zur Vergleichsgruppe ist. Die Probanden der Ver-

gleichsgruppe verzeichnen einen Kompetenzzuwachs von nur 0,79 Punkten im Mittel zum

Messzeitpunkt 3. Zum Messzeitpunkt 3 fällt der Kompetenzgrad bei der Versuchsgruppe ab

und unterschiedet sich nicht mehr signifikant zum Messzeitpunkt 1 innerhalb der Gruppen.

Signifikante Unterschiede vom ersten zum dritten Messzeitpunkt liegen nicht vor, so dass

kein signifikanter positiver Langzeiteffekt nachgewiesen werden kann.

110

6 Ergebnisse

6.3.2.2 Teilkompetenz Hypothesen generieren

Abbildung 29: Messwiederholung der Teilkompetenz Hypothesen formulieren im

Gruppenvergleich (Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich)

(a) Hinsichtlich der Teilkompetenz Hypothesen generieren wird in der Versuchsgruppe ein

Kompetenzstand von MW = 2,57 (SD = 1,14) ermittelt. Die Vergleichsgruppe erzielt einen

Kompetenzgrad von MW = 2,52 (SD = 1,86). Zwischen den Gruppen liegen keine

signifikanten Unterschiede bezüglich des Kompetenzstandes im Pretest vor (T1 d = 0,03; p =

0,84). Zum zweiten Messzeitpunkt verzeichnen die Schülerinnen und Schüler der

Versuchsgruppe eine Zunahme des Kompetenzniveaus um 2,55 Punkte (MW = 5,12; SD =

1,23) und die der Vergleichgruppe um 0,04 (MW = 2,56; SD = 1,15). Die Ergebnisse

unterscheiden sich signifikant (T2 d = 2,56; p < 0,001) mit starken Effekten. Zum Messzeit-

punkt 3 (T3) fällt der Kompetenzgrad der Versuchsgruppe auf 3,28 Punkte (SD = 1,22) und

nimmt damit im Vergleich zum Messzeitpunkt 2 (T2) um 1,84 Punkte ab. Die Probanden der

Versuchsgruppe erreichen zum Messzeitpunkt 3 einen MW von 2,48 (SD = 0,95). Insgesamt

kommt es in der Versuchsgruppe zu einer Kompetenzzunahme im Mittel um 0,71 vom Mess-

zeitpunkt 1 (T1) zum Messzeitpunkt 3 (T3) und in der Vergleichsgruppe um eine Abnahme

im Mittel um 0,04 Punkte mit einem signifikanten Unterschied (T3 d = 0,73; p < 0,001).

(b) Die Analyse der Messwiederholung zeigt für die Entwicklung vom Messzeitpunkt 1 (T1)

zum Messzeitpunkt 2 (T2) einen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen (p <

0,001), ebenso vom Messzeitpunkt 1 (T1) zum Messzeitpunkt 3 (T3) mit einem signifikanten

Kontrast (p = 0,006).

2,57!

5,12!

3,28!

2,52! 2,56! 2,48!

0!

1!

2!

3!

4!

5!

6!

T1! T2! T3!

Erreichte"Pu

nktpah

l"(max."6)"

Messzeitpunkt""T1!(Pretest),!T2!(PosRest)!und!T3!(FollowTUp""

Teilkompetenz"Hypothesen"generieren"

Versuchsgruppe!(N=68)!

Vergleichsgruppe!(N=49)!

111

6 Ergebnisse

In der Teilkompetenz Hypothesen generieren wird ein positiver Effekt der Versuchsgruppe

deutlich. Demnach erreichen die Probanden vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt einen

starken Kompetenzzuwachs von 2,55 Punkten im Mittel. Es zeigen sich vom ersten zum

zweiten Messzeitpunkt positive Effekte durch signifikante Unterschiede in der Entwicklung

der beiden Gruppen. Demgegenüber verzeichnen die Probanden der Vergleichsgruppe zum

zweiten Messzeitpunkt keinen Kompetenzzuwachs, so dass die Vergleichsgruppe in der

Teilkompetenz Hypothesen genieren einen positiven Effekt gegenüber der Vergleichsgruppe

verzeichnen kann. Der positive Effekt wird auch vom Messzeitpunkt 1 zum Messzeitpunkt 3

und damit in der Langzeitwirkung deutlich.

6.3.2.3 Teilkompetenz Planung eines Experiments

Abbildung 30: Messwiederholung der Teilkompetenz Experiment planen im Gruppenvergleich (Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich)

(a) Die Analyse der Teilkompetenz Planung eines Experiments zeigt im Pretest (T1) ein Mit-

tel der Kompetenzgrade von 2,03 Punkten (SD = 2,24) in der Versuchsgruppe und von 1,79

(SD = 1,99) in der Vergleichsgruppe. Diese unterscheiden sich nicht signifikant (T1 d = 0,11;

p = 0,56). Zum Messzeitpunkt 2 (T2) steigt das Kompetenzniveau der Versuchsgruppe um

2,55 Punkte auf 4,58 Punkte (SD = 1,42) im Mittel. Das Niveau der Vergleichsgruppe sinkt

auf 1,58 Punkte (SD = 1,93) und verliert demnach 0,21 Punkte im Mittel (T2 d = 1,77; p <

0,001). Zum Messzeitpunkt 3 (T3) fällt das Kompetenzniveau der Versuchsgruppe um 1,59

Punkte auf 2,99 (SD = 2,08) im Mittel. Die Probanden der Vergleichsgruppe erreichen ein

Mittel von 1,63 Punkten (SD = 1,78). Der Kompetenzgrad unterscheidet sich zwischen den

Gruppen im Messzeitpunkt 3 (T3) signifikant (T3 d = 0,70; p < 0,001).

112

6 Ergebnisse

(b) Die Varianzanalyse ergibt eine deutliche Signifikanz zwischen den Gruppen und den

Messzeitpunkten T1 und T2 (p < 0,001). Die Analyse der Entwicklung der Gruppen vom

Messzeitpunkt 1 (T1) zum Messzeitpunkt 3 (T3) anhand der Kontrast zeigt einen signifikan-

ten Unterschied (p = 0,007) zwischen beiden.

Die Schülerinnen und Schüler beider Treatmentgruppen zeigten im Pretest der Teilkompe-

tenz Experiment planen vergleichbare Ausgangssituationen. Die Entwicklung der Gruppen

zum Messzeitpunkt 2 in der Teilkompetenz Experiment planen ist unterschiedlich, mit positi-

ven Effekten für die Versuchsgruppe auch in der Langzeitwirkung.

6.3.2.4 Teilkompetenz Daten auswerten

Abbildung 31: Messwiederholung der Teilkompetenz Daten auswerten im Gruppenvergleich

(Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich)

(a) Zum Messzeitpunkt 1 weisen die Treatmentgruppen signifikant unterschiedliche Aus-

ganglagen auf (T1 d = 0,51; p = 0,006), bei der die Versuchsgruppe einen im Mittel um 0,93

Punkte höheren Kompetenzgrad mit 4,22 Punkten (SD = 0,12) gegenüber der Vergleichs-

gruppe mit 3,29 Punkten (SD = 2,56) verzeichnet.

(b) Die Varianzanalyse mit Messwiederholung zeigt, dass die Entwicklungen der Gruppen

(Versuchs- und Vergleichsgruppen) nicht signifikant unterschiedlich verlaufen sowohl vom

ersten (T1) zum zweiten Messzeitpunkt (T2) (p = 0,93) als auch vom ersten (T1) zum dritten

Messzeitpunkt (T3) (p = 0,33).

Insgesamt werden keine positiven Effekte der Versuchsgruppe gegenüber der Vergleichs-

gruppe in der Teilkompetenz Daten auswerten beschrieben.

4,22!

5,25!4,70!

3,29!

4,29! 4,12!

0!

1!

2!

3!

4!

5!

6!

T1! T2! T3!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."6)"

Messzeitpunkte""T1!(Pretest),!T2!(PosRest!)!und!T3!(FollowTUp)!

Teilkompetenz"Daten"auswerten"

Versuchsgruppe!(N=68)!

Vergleichsgruppe!(N=49)!

113

6 Ergebnisse

6.3.3 Effekt der Lernausgangslage auf den Lernzuwachs (Versuchsgruppe)

Zur weiteren Analyse des Lernzuwachses wird in Abhängigkeit zur Lernausgangslage eine

bivariate Korrelation nach Kendall Tau b mit den Messzeitpunkten T1 zu T2 sowie T1 zu T3

durchgeführt (s. Tab. 29), die zur Evaluierung der zweiten Forschungsfrage dient. Die Aus-

gangsleistung wurde mit dem Lernzuwachs korreliert, wobei der Zuwachs durch die Differenz

(erreichte Punktzahl T2) minus (erreichte Punktzahl T1) bzw. (erreichte Punktzahl T3) minus

(erreichte Punktzahl T1) ausgedrückt wird.

Tabelle 29: Korrelation zwischen Ausgangslage der Versuchsgruppe und Lernzuwachs nach

Kendall Tau b

Teilkompetenz (Pretest) Lernzuwachs

T1 zu T2

Lernzuwachs

T1 zu T3

Fragestellung formulieren -0,45** -0,37**

Hypothesen generieren -0,64** -0,45**

Experiment planen -0,76** -0,48**

Experiment auswerten -0,68** -0,56**

**. Die Korrelation ist auf dem 0,01 Niveau signifikant (zweiseitig).

Die Korrelation zwischen den Ergebnissen im Pretest und dem Lernzuwachs (T1 zu T2; T1

zu T3) berichtet signifikanten Zusammenhänge in allen vier Kompetenzen. Demnach besteht

ein Zusammenhang zwischen der Lernausgangslage und dem Lernzuwachs. Leistungsstär-

kere Schülerinnen und Schüler zeigen allerdings keinen höheren Kompetenzzuwachs (posi-

tive Effekte) durch den Ansatz des problemlösenden Lernens und der Methode des Experi-

mentierens im Vergleich zu leistungsschwächeren Probanden (verdeutlicht durch das nega-

tive Vorzeichen). Die Werte der Korrelation liegen im mittleren bis starken Bereich, so dass

die leistungsschwächeren Schülerinnen und Schüler einen höheren Lernzuwachs erreichen.

6.3.4 Pre-/Post-/Follow-Up-Vergleich des Fachwissens (Versuchs- und Vergleichs-

gruppe)

Die dritte Forschungsfrage richtet sich nach dem Erwerb der Fachkompetenz und dem damit

vermuteten positiven Effekt für die Versuchsgruppe. Zur Analyse wird eine Varianzanalyse

mit Messwiederholung verwendet. Unterschiedliche Fallzahlen zu den vorausgegangenen

Analysen resultieren in diesem Kapitel aufgrund fehlender Angaben im Fachwissenstest.

114

6 Ergebnisse

Abbildung 32: Messwiederholung des Fachwissens im Gruppenvergleich (Pre-/Post-/Follow-

Up-Vergleich)

(a) Die Ausgangsvoraussetzungen im Pretest unterscheiden sich in den Gruppen (Ver-

suchsgruppe: MW = 1,92; SD = 1,38) (Vergleichsgruppe MW = 1,74; SD = 1,38) nicht signifi-

kant voneinander (T1 d = 0,13; p = 0,54). Im zweiten Messzeitpunkt erreichen beide Grup-

pen vergleichbare Kompetenzen (Versuchsgruppe: MW = 4,27; SD = 1,25) (Vergleichsgrup-

pe: MW = 4,29; SD = 1,53). Es liegen keine signifikanten Unterschiede im Kompetenzgrad

vor (T2 d = 0,01; p = 0,94). Auch im dritten Messzeitpunkt erreichen die Gruppen Kompeten-

zen (Versuchsgruppe: MW = 2,88; SD = 1,44) (Vergleichsgruppe: MW = 2,63; SD = 1,51),

die sich nicht signifikant unterscheiden (T3 d = 0,17; p = 0,41).

(b) Die Varianzanalyse mit Messwiederholung zur Überprüfung der Kompetenzentwicklung

der Gruppen im Vergleich der Messzeitpunkte ergibt sowohl vom ersten zum zweiten Mess-

zeitpunkt keine signifikanten Unterschiede (p = 0,35) als auch vom ersten zum dritten Mess-

zeitpunkt (p = 0,87). Insgesamt lassen sich zwischen beiden Gruppen keine Unterschiede in

der Kompetenzentwicklung identifizieren, ein positiver Effekt liegt nicht vor.

6.3.5 Ergänzende Analyse: Pre-/Postvergleich des Zusammenhangs zwischen Selbst-

einschätzung und Vorwissen (Versuchsgruppe)

Zur Überprüfung des Zusammenhangs zwischen der Selbsteinschätzung der Schülerinnen

und Schüler sowie dem Vorwissen werden im ersten Schritt die Ergebnisse des Pretests

untersucht. Dazu werden die Ergebnisse der Selbsteinschätzung (sehr schlecht bis sehr gut)

1,79!

3,54!

2,38!

1,67!

3,72!

2,31!

0!

1!

2!

3!

4!

5!

6!

T1! T2! T3!

Erreichte"Pu

nktzah

l"(max."5)"

"Messzeitpunkte"""T1"(Pretest),"T2"(PosQest")"und"T3""(FollowSUp")"

Fachwissen"

Versuchsgruppe!(n=61)!

Vergleichsgruppe!(n=39)!

115

6 Ergebnisse

mit den Punktzahlen des Vorwissenstest 0 Punkte (keine Antwort richtig) bis 3 Punkte (drei

Antworten richtig) in einer Kreuztabelle dargestellt (s. Tab. 30). Anschließend erfolgt die

Überprüfung des Zusammenhangs zwischen der Selbsteinschätzung und den Ergebnissen

des Vorwissenstests durch eine Korrelation nach Kendall Tau b. Im zweiten Schritt wird das

Vorgehen mit den entsprechenden Daten des Posttests wiederholt (s. Tab. 31).

Tabelle 30: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (Pretest)

Pretest: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (N=105)

Vorwissen (Punkte)

0 1 2 3

Gesamt

N 3 2 3 0 8 1 sehr gut

% 37,5% 25,0% 37,5% 0,0% 100,0%

N 19 24 20 2 65 2 gut

% 29,2% 36,9% 30,8% 3,1% 100,0%

N 11 11 7 2 31 3 mittelmäßig

% 35,5% 35,5% 22,6% 6,5% 100,0%

N 1 0 0 0 1

Selbsteinschätzung

4 schlecht % 100,0% 0,0% 0,0% 0,0% 100,0%

N 34 37 30 4 105 Gesamt

% 32,4% 35,2% 28,6% 3,8% 100,0%

Die Verteilung verdeutlicht eine Verteilung zwischen keinem Punkt (32,4%), einem Punkt

(35,2%) und zwei Punkten (28,6%) im Vorwissenstest des Pretests. Dabei erreichten prozen-

tual die meisten Schülerinnen und Schüler einen geringen Vorwissensstand mit einem Punkt.

Gleichzeitig schätzen die meisten Probanden ihre Experimentierkompetenz gut ein (N = 65).

Die Korrelation zeigt einen Wert von -0,05 (Kendall Tau b) und p = 0,54. Im Pretest besteht

kein Zusammenhang zwischen dem Vorwissen und der Selbsteinschätzung der Schülerin-

nen und Schüler.

116

6 Ergebnisse

Tabelle 31: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (Posttest)

Posttest: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen (N=104)

Vorwissen

0 1 2 3

Gesamt

N 0 1 2 8 11 1 sehr gut

% 0,0% 9,1% 18,2% 72,7% 100,0%

N 0 5 17 36 58 2 gut

% 0,0% 8,6% 29,3% 62,1% 100,0%

N 1 4 6 23 34 3 mittelmäßig

% 2,9% 11,8% 17,6% 67,6% 100,0%

N 0 0 0 1 1

Selbsteinschätzung

4 schlecht % 0,0% 0,0% 0,0% 100,0% 100,0%

N 1 10 24 68 103 Gesamt

% 1,0% 9,7% 23,3% 66,0% 100,0%

Im Posttest schätzten die Mehrzahl der Probanden ihre Methodenkompetenz als mittelmäßig

(N = 34) oder gut (N = 58) ein, dabei erreichten 66 % der Schülerinnen und Schüler einen

sehr hohen Vorwissensgrad mit drei von drei Punkten im Vorwissenstest. Die Korrelation

nach Kendall Tau b ergibt einen Wert von 0,00 und p = 0,99. Demnach liegt zwischen der

Selbsteinschätzung und dem Vorwissen kein Zusammenhang im Posttest vor.

6.3.6 Ergänzende Analyse: Effekte des Lernzuwachses im Vergleich der Teilkompe-

tenzen (Versuchsgruppe)

Der Lernzuwachs der Versuchsgruppe wird vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt (N = 86)

sowie vom ersten zum dritten Messzeitpunkt (N = 79) deskriptiv dargestellt, um anschließend

durch eine Varianzanalyse mit paarweise Vergleichen signifikante Unterschiede im Lernzu-

wachs zwischen einzelnen Teilkompetenzen identifizieren zu können. Für den Vergleich der

Zuwächse der einzelnen Teilkompetenzen wurden zunächst Differenzvariablen gebildet, die

den individuellen Zuwachs ausdrücken (T2 minus T1 bzw. T3 minus T1). Diese Variablen

wurden mit einer ANOVA mit Messwiederholung mit anschließenden paarweisen Verglei-

chen (LSD-Test) getestet.

117

6 Ergebnisse

Abbildung 33: Lernzuwachs T1 zu T2

Die ANOVA zeigt signifikante Unterschiede zwischen den Zuwächsen T1 zu T2 (p < 0,0001).

Statistisch signifikante Unterschiede liegen zwischen den Teilkompetenzen a) Fragestellung

formulieren und d) Daten auswerten vor (p < 0,001) vor. Ebenso zwischen der Teilkompe-

tenz b) Hypothesen generieren und der Kompetenz d) Daten auswerten (p < 0,001). Auch

werden zwischen der Teilkompetenz c) Experiment planen und d) Daten auswerten signifi-

kante Unterschiede deutlich (p < 0,001). Die statistischen Überprüfungen der verbleibenden

Kompetenzpaare erweisen sich als nicht signifikant unterschiedlich.

Abbildung 34: Lernzuwachs T1 zu T3

3,02! 2,7! 2,49! 1,15!0!

1!

2!

3!

4!

5!

6!


Hypothesen!generieren!

Experiment!planen! Daten!auswerten!

Lernzuwachs"T1"zu"T2"

SD!=!1,62! SD!=!2,32!

SD!=!1,58!

SD!=!1,89!

0,73! 0,8!0,96!

0,49!

0!

0,5!

1!

1,5!

2!

2,5!

3!

3,5!


Hypothesen!generieren!

Experiment!planen! Daten!auswerten!

Lernzuwachs"T1"zu"T3"

SD!=!1,89!

SD!=!1,53!

SD!=!2,28!

SD!=!1,63!

118

6 Ergebnisse

Die ANOVA zeigt keine signifikanten Unterschiede zwischen den Zuwächsen T1 zu T3 (p =

0,45).

Die statistische Überprüfung des Lernzuwachses vom Pretest zur Follow-Up-Erhebung zeigt

keine signifikanten Ergebnisse zwischen den einzelnen Teilkompetenzen des Experimentie-

rens. Es liegen demnach hinsichtlich des Lernzuwachses vom Pretest zu Follow-Up-

Erhebung keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Teilkompetenzen vor.

6.4 Evaluationsstudie – Triangulation zum offenen Experimentieren

Es werden nun die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler im offenen und praktischen

Experimentierprozess analysiert. Ausgehend von der Intervention (Versuchsgruppe) wurde

in der letzten Sequenz eine offene Aufgabe zum Thema Salzgehalt der Ostsee gestellt. Die

Probanden, der an der Intervention beteiligten Versuchsgruppen, protokollierten unter Auf-

sicht ihrer Lehrkräfte das Vorgehen. 30 Schülerprotokolle sind entstanden, die im Folgenden

detailliert analysiert werden. Die Evaluierungen der Forschungsfrage 4 und 5 sind das Ziel.

Zur Analyse wird ein computergestütztes Verfahren unter Verwendung des Programms

MAXQDA genutzt.

6.4.1 Offenes Experimentieren und Kompetenzstufenniveau 4 (Triangulation)

Die Auswertung der Teilkompetenzen und Niveaustufungen erfolgt anhand der Zuordnungen

des Erstcodierers (s. Kap. 4.5.6). Dem methodischen Vorgehen entsprechend werden die

Kennzeichen sowie der Vergleich von Einzelfällen aufgeführt (BORTZ und DÖRING 2006, S.

306). Beim deduktiven Vorgehen wird der Rahmen durch das Kategorienschema beschrie-

ben. Die Codieranleitung ist dem Anhang zu entnehmen (s. Anhang Kap. IV). Diese Analyse

zielt auf die Evaluierung der Forschungsfrage 4 ab, ob die Mehrzahl der Probanden in den

Teilkompetenzen ein logisches, adäquates bzw. systematisches Niveau erreicht (Stufe 4). Im

Rahmen der Triangulation werden zur Analyse zunächst qualitative Vergleiche vorgenom-

men, die anschließend durch quantitative Darstellungsverfahren verdeutlicht werden. Dem

folgt die detaillierte Analyse der verschiedenen Kompetenzstufen, um anhand dieser die

Problemfelder zu identifizieren und damit die Evaluierung der Forschungsfrage 5 zu ermögli-

chen. Da die Ergebnisse der Schülergruppen vergleichbare Strukturen aufweisen, werden

nicht alle Protokoll- und Textpassagen vorgestellt, sondern Einzelbeispiele beleuchtet. Die

Zuordnung der Kategorien erfolgt auf Grundlage der vier Niveaustufungen. Die Kompetenz-

stufe 4 der Teilkompetenzen (Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung

eines Experiments, Daten auswerten) wird anhand exemplarischer Ausschnitte detaillierter

119

6 Ergebnisse

analysiert. Entsprechend dem methodischen Vorgehen der Experimentiermethode steht zu

Beginn die Analyse der Teilkompetenz Fragestellung.


In der Teilkompetenz Fragestellung werden vom Sample (N = 30) 28 Fragestellungen einem

adäquaten Niveau (Stufe 4) zugeordnet. Die Fragestellungen stehen im Zusammenhang mit

dem Phänomen und sind überprüfbar. Im Folgenden werden einzelne, exemplarische Schü-

lerergebnisse der Kompetenzstufe 4 detaillierter analysiert. Die verbleibenden sind dem An-

hang zu entnehmen (s. Anhang Kap. V). Das Beispiel C13-F wird als erstes Fallbeispiel aus-

gewählt, da die Fragestellung grundlegende und beispielhafte Elemente aufweist, die in ähn-

lichen Formulierungen auch in den verbleibenden Fragestellungen vorliegen.

Beispiel 1: Fragestellung formulieren Stufe 4

C13-F Vermischt sich das Süß- und Salzwasser nicht?

Die Fragestellung steht im Zusammenhang mit dem Phänomen, das dadurch gekennzeich-

net ist, dass das Wasser der Ostsee unterschiedliche Salzgehalte aufweist. Die Frage wurde

adäquat formuliert und kann im Experiment überprüft werden.


In der Teilkompetenz Hypothesen werden 20 Ergebnisse der Kompetenzstufe 4 zugeordnet,

acht dem Niveau 3 und zwei dem Niveau 2. Keine Schülergruppe wird in das

Kompetenzniveau 1 eingestuft. Die Kompetenzstufe 4 der Teilkompetenz Hypothesen gene-

rieren ist durch drei Elemente definiert: a) Hypothesen beziehen sich auf die Fragestellung,

b) multiple Hypothesen werden formuliert (H1 und H0) und c) erfolgreiche Hypothesenrevisi-

on.

Beispiel 2: Hypothesen generieren Stufe 4

A1-H

Hypothese (1): Wenn das Wasser mit dem höheren Salzgehalt sich unten befindet und das Wasser mit dem geringeren Salzgehalt sich oben befindet, dann vermischt sich das Wasser nicht. Gegenhypothese (0) Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Vermischung. Hypothese ist bestätigt, Gegenhypothese ist widerlegt

Der Ausschnitt A1-H zeigt die Hypothesen (H1 und H0), die im Zusammenhang mit dem

Phänomen stehen. Begründete Hypothesen werden formuliert, die eine gezielte Überprüfung

und Revision ermöglichen. Durch die vermutete Lage des Salzwassers (höherer Salzgehalt

unten, geringerer oben) werden konkrete Experimentaufbauten und Durchführungen im Fo-

120

6 Ergebnisse

kus der Revision ermöglicht, die bereits auf unterschiedliche Dichteverhältnisse von Süß-

und Salzwasser schließen lassen. Ein hohes Niveau der Hypothesenformulierung und Hypo-

thesenrevision sind gegeben. Stufe 4 des Kompetenzmodells wird erreicht.


In der Teilkompetenz Planung werden 12 schriftliche Protokollausschnitte der Stufe 4 zuge-

ordnet, 15 der Stufe 3 und drei dem Kompetenzniveau 2. Die Stufe 4 ist durch die folgenden

Kriterien definiert: a) abhängige und unabhängige Variablen werden adäquat differenziert, b)

Variation der unabhängigen Variable erfolgt, c) Kontrollvariablen werden konstant gehalten

und d) Kontrollansatz wird berücksichtigt. Das Beispiel 3 verdeutlicht beispielhaft eine Pla-

nung der Kategorie 4, die einem systematischen Umgang entspricht.

Beispiel 3: Planung eines Experiments Stufe 4

D25-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

Zur besseren Verständlichkeit wird der Transkription ein Ausschnitt des Schülerprotokolls

zugefügt. Entsprechend den Kriterien wird die Vermischung (des Süß- und Salzwassers) als

abhängige Variable identifiziert und dementsprechend die Variation der Salzmenge berück-

sichtigt und geplant. Die Faktoren Gefäßgröße und Wassermenge inklusive der Mengenan-

gaben werden kontrolliert. Damit werden zum einen die Kontrollvariablen konstant gehalten

und zum anderen wird das Kriterium der Reproduktion, ergänzt durch die genaue Protokollie-

rung, gesichert. Die Benennung des Kontrollansatzes erfolgt im späteren Textverlauf, so

dass alle Kriterien eines Experiments erfüllt sind.

121

6 Ergebnisse


Die Teilkompetenz Daten auswerten (Niveaustufe 4) ist durch drei Kriterien definiert: a) Be-

obachtung wird genau beschrieben, b) Ergebnisse werden auf Problem rückbezogen und

fachlich korrekt entsprechend dem Raumbeispiel interpretiert, c) Analyse gelingt auch bei

Anomalien (z. B. Messfehlern). 10 der N = 30 Ausschnitte werden der Stufe 4 zugeordnet, elf

der Stufe 3, vier in die Kompetenzstufe 2 und 5 in die Stufe 1. Das Beispiel 4 zeigt die Da-

tenauswertung der Gruppe C16.

Beispiel 4: Daten auswerten Stufe 4

C16-A Beobachtung: (1) oben 0 g Salz; unten 50 g Salz: Es vermischt sich nicht. (2) oben 0 g; unten 10 g: Hier vermischt es sich wieder nicht. (3) oben 50 g; unten 0 g: Es vermischt sich. Erklärung: (1) Es vermischt sich, weil das blaue Wasser (50 g Salz) einen hohen Salzge-halt hat und daher schwerer ist als das rote Wasser (10 g Salz), das weniger Salz hat als das blaue Wasser. (2) Hier vermischt es sich wieder nicht, da das schwerere Wasser, also das rote Wasser, wieder unten ist und das Süßwasser oben. (3) Es vermischt sich, weil wir das Süßwasser diesmal zuerst reingeschüttet haben und dann erst das schwerere Wasser, also das Salzwasser. Interpretation: Der Salzgehalt in der Ostsee ist unterschiedlich hoch, weil von einer Seite das Süßwasser kommt und von der Nordsee das Salzwasser angespült wird. Deswegen vermischen sich Salz- und Süßwasser kaum und deswegen hat die Ostsee verschiedene Salzgehalte.

Die Datenauswertung der Gruppe C16 ist der Stufe 4 zuzuordnen. Die Probanden beschrie-

ben ihre Ergebnisse genau und formulieren eine darauf aufbauende Erklärung. Es erfolgt

zunächst die Beobachtung, dass es zur Schichtbildung kommt, wenn salzhaltiges Wasser im

unteren Bereich vorliegt. Der Einfluss des Salzgehalts in Abhängigkeit von der Lage wird

durch den Kontrollansatz (Ansatz 3) und die daraufhin beschriebene Vermischung der

Schichten bestätigt. Die Beobachtung ist zur Hypothesenrevision geeignet. Die Übertragung

auf das Raumbeispiel gelingt anhand der Ergebnisse, indem die topographischen Voraus-

setzungen (Süßwasser von Nordost und Salzwasserzufluss von Westen) als Erklärung he-

rangezogen werden.

6.4.1.5 Zusammenfassung

Die abschließende Zusammenfassung der Kompetenzeinstufungen erfolgt durch deskriptive

Darstellungsverfahren mit dem Ziel, eine Gesamtübersicht zu konzipieren, die eine spätere

zusammenführende Diskussion der Forschungsfragen und Forschungsergebnisse erleich-

tert. Auf Signifikanzanalysen wird im Folgenden aufgrund der geringen Stichprobe verzichtet.

122

6 Ergebnisse

Abbildung 35: Kompetenzeinstufungen im offenen Experimentierprozess (Evaluationsstudie)

In der Kompetenzentwicklung durch offenes Experimentieren wird im Kompetenzniveau 4 die

folgende Reihenfolge belegt: Daten auswerten → Planung eines Experiments → Hypothesen

generieren→ Fragestellung formulieren. Die Mehrzahl der Probanden erreichen in den Teil-

kompetenzen Fragestellung und Hypothesen ein systematisches und adäquates Kompe-

tenzniveau. In den Bereichen Planung eines Experiments und Daten auswerten erreicht die

Mehrzahl der Gruppen die Kompetenzstufe 3. Die in diesem Kapitel analysierte Kompetenz-

stufe 4 wird im Folgenden durch die detaillierte Analyse der verbleibenden Kompetenzeinstu-

fungen ergänzt. Die Evaluierung der letzten Forschungsfrage und damit der spezifischen

Defiziten in der Methode des offenen Experimentierens bildet das Ziel.

6.4.2 Offenes Experimentieren und Problembereiche

In vorausgegangenen Studien wurden in den vier Teilkompetenzen spezifische Problemfel-

der in der Methode des Experimentierens identifiziert (z.B. DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998;

HAMMANN ET. AL. 2006; GRUBE 2010). Da die Studien aus biologiedidaktischen bzw. psycho-

logischen Perspektiven konzipiert und evaluiert wurden, bleibt der Transfer auf den Geogra-

phieunterricht und dessen Experimentierverständnis offen. Auf Grundlage der bisherigen

Befunde wird in der vorliegenden Studie davon ausgegangen, dass auch im geographischen

Experimentieren in den Teilkompetenzen besondere Defizite erhoben werden können, die in

weiteren Interventionen sowie der Unterrichtspraxis impliziert werden müssen. Die Evaluie-

rung der Problemfelder erfolgt durch Einzelfallanalysen.

0!

0!

0!

5!

0!

2!

3!

4!

2!

8!

14!

11!

28!

20!

13!

10!

0! 5! 10! 15! 20! 25! 30!

Fragestellung!

Hypothesen!

Planung!

Auswertung!

Anzahl"der"Kompetenzeinstufungen"(max."30)"

Kompetenzeinstufungen"

Kompetenzstufe!1!

Kompetenzstufe!2!

Kompetenzstufe!3!

Kompetenzstufe!4!

123

6 Ergebnisse


In der Teilkompetenz Fragestellung werden geringe spezifische Defizite aufgedeckt. Stufe 3

des Kompetenzentwicklungsmodells ist definiert als eine Fragestellung, die im Zusammen-

hang mit dem Phänomen steht, jedoch nicht überprüfbar ist. Zwei Schülerfragen wurden der

Stufe 3 zugeordnet (s. Anhang Kap. V Teilkompetenz Fragestellung formulieren), eine ex-

emplarische Auswahl wird im Ausschnitt A3-F vorgestellt.

Beispiel 1: A3-F

A3-F Vermischen sich die unterschiedlichen Bereiche mit Salzgehalt der Ostsee nicht?

Frage A3-F steht im Zusammenhang mit dem Phänomen, wird jedoch undeutlich formuliert.

Formulierungsschwierigkeiten werden als Probleme identifiziert, die eine adäquate Überprü-

fung erschweren können. Einstufungen in die Niveaubereiche 2 und 1 erfolgen nicht.


Der Teilbereich Hypothesen ist durch drei Elemente charakterisiert: a) Hypothesen beziehen

sich auf die Fragestellung, b) multiple Hypothesen werden formuliert, c) erfolgreiche Hypo-

thesenrevision. Die Schülerergebnisse lassen auf spezifische Probleme schließen, die auf

Basis der drei Charakteristika beruhen. Anhand von drei exemplarischen Ergebnissen wer-

den die Problemfelder analysiert.

Beispiel 1: B6-H

Hypothese (1): Süßwasser vermischt sich nicht mit Salzwasser. Gegenhypothese (0): Süßwasser vermischt sich mit Salzwasser. Hypothese (1) bestätigt sich; Gegenhypothese (0) widerlegt sich

Die Hypothese (1) und Gegenhypothese (0) der Gruppe B 6 (Beispiel 1) stehen im Zusam-

menhang mit der Fragestellung und werden erfolgreich revidiert, so dass der Textausschnitt

B6-H der Stufe 4 zugeordnet wird. Trotz angemessenem Vorgehen wird ein Problem sicht-

bar: den Hypothesen fehlt eine genauere Beschreibung bzw. eine Begründung. Die Vermu-

tung ‚Süßwasser vermischt sich nicht mit Salzwasser’ kann theoretisch (vgl. Kontrollansatz)

aus den ermittelten Ergebnissen zugleich widerlegt werden. Zwar werden die Bedingungen

der Niveaustufe 4 erfüllt, dennoch wird ein Problemfeld deutlich, das in den definierten Kom-

petenzstufen zugrunde liegt.

Das zweite Beispiel zeigt ein oftmals erhobenes Problem der Teilkompetenz Hypothesen, die

fehlende Hypothesenrevision.

124

6 Ergebnisse

Beispiel 2: A2-H

Hypothese (1): Wenn in den unteren mehr und in den oberen Schichten weniger Salz vor-handen ist, dann vermischt sich das Wasser nicht. Gegenhypothese (0): Die Lage und der Salzgehalt haben keinen Einfluss auf die unter-schiedlichen Schichten. [keine Hypothesenrevision]

Die Hypothesensuche erfolgt im Beispiel 2 systematisch, allerdings ohne abschließende Re-

vision. Neun der nicht in Stufe 4 eingeordneten Hypothesen sind durch dieses Defizit ge-

kennzeichnet. Ein erweiterter Problembereich der Hypothesenrevision wird anhand der Aus-

führungen der Gruppe A4 (s. Anhang Kap. V Teilkompetenz Hypothesen generieren) deut-

lich, in der die Revision erfolgt, diese den Beobachtungen jedoch widerspricht. Die Hypothe-

senrevision erfolgt somit nicht auf Grundlage der Beobachtungen. Der dritte Problembereich,

der im Kontext der Hypothesen identifiziert werden konnte, ist die Formulierung von Hypo-

thesen, die nicht im Zusammenhang mit der Fragestellung stehen. Sie werden im folgenden

am Beispiel 3 detailliert erläutert.

Beispiel 3: D19-H

Hypothese (1): Das Salzwasser ist schwerer als das Süßwasser und deshalb vermischt es sich nicht.

Gegenhypothese (0): Die Temperatur hat keinen Einfluss auf die Vermischung von Salz- und Süßwasser.

Die Hypothesen werden im Beispiel 3 (D19-H – Stufe 2) unlogisch formuliert. Ein in der

Hypothese (1) nicht aufgeführter Faktor (Temperatur) wird in der Gegenhypothese benannt.

Der Faktor Temperatur beinhaltet nicht den Inhalt der Hypothese (1), vielmehr scheint eine

weitere Hypothese (2) im Sinne multipler Hypothesen angemessen. Dem Faktor Temperatur

wird zudem in den folgenden Planungs- und Auswertungsphasen nicht weiter nachgegan-

gen. Ein unsystematisches Vorgehen wird deutlich, das dem weiteren methodischen Prozess

entgegenwirkt (z. B. Hypothesenrevision).


Im Teilbereich Planung werden Defizite insbesondere im Kontext der Variablen identifiziert.

Bereits in Stufe 4 werden Probleme in den Bereichen Kontrollvariablen, Kontrollansatz und

Variation erhoben. Beispiel 1 (A4-P) verdeutlicht zunächst den Aspekt Kontrollvariablen.

125

6 Ergebnisse

Beispiel 1: A4-P

abhängige Variable: Schichten unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

Die Gruppe berücksichtigte nur eine mögliche Kontrollvariable. Dennoch erfolgt die Codie-

rung in Stufe 4. Begründet wird die Entscheidung mit der ansonsten vollständigen Planung

unter Berücksichtig aller Variablen sowie dem Kontrollansatz. Die abhängige und unabhän-

gige Variablen werden adäquat differenziert und variiert, die Kontrollvariable wird konstant

gehalten. Der zweite Problembereich der Teilkompetenz Planung fokussiert das Kriterium

Kontrollansatz. Im Textausschnitt der Gruppe C14-P (Beispiel 2) wird deutlich, dass die Be-

nennung des Kontrollansatz in der Planungsphase nicht erfolgt.

Beispiel 2: C14-P

Dennoch wird der Textabschnitt dem Kompetenzbereich 4 zugeordnet, da die Probanden in

der Datenauswertung (Beobachtung) den Kontrollansatz einbinden und damit ein bewusster

und überlegter Umgang deutlich wird. Eine zufällige, unbewusste Planung wird ausgeschlos-

sen, da zur Erklärung der Beobachtungen der Kontrollansatz verwendet wird. Demgegen-

über steht Beispiel 3 der Gruppe B6.

abhängige Variable: Schichtung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

126

6 Ergebnisse

Beispiel 3: B6-P

abhängige Variable: Vermischung von Süß- und Salzwasser unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

Die Probanden verwenden zum einen keinen Kontrollansatz in der Konzeption, obwohl die-

ser durchgeführt wird, und nutzen ihn zum anderen für die Erklärungen nicht. Eine zufällige,

unbewusste Durchführung des Kontrollansatzes kann nicht ausgeschlossen werden, so dass

die entsprechenden Planungsansätze der Stufe 3 des Kompetenzmodells zugeordnet wer-

den. Stufe 3 wird u. a. im Kontext des fehlenden Kontrollansatzes definiert. Der dritte identifi-

zierte Problembereich, die Variation, wird am Beispiel 4 verdeutlicht.

Beispiel 4: A5-P

abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: Zwei der drei Aufbauten wurden umgekehrte geplant (oben höhe-rer Salzgehalt als unten). Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes.

Die Planung dient nur bedingt der Hypothesenüberprüfung. Es wird vermutet, dass das

Salzwasser in den unteren Schichten sein muss. Demgegenüber werden zwei Experimen-

tieransätze konträr zu dieser Vermutung konzipiert, indem die Positionierung des Salzwas-

sers in den oberen Schichten erfolgt. Der Kontrollansatz wird demnach nicht richtig einge-

setzt bzw. die Variation der unabhängigen Variable unlogisch geplant und umgesetzt. Bei

weiteren Experimentansätzen fehlt die Variation vollständig (z. B. C17-P). Im Problembereich

des Kriteriums Variation erfolgt die Einstufung in das Kompetenzniveau 2 des Kompetenz-

stufenmodells.


Im letzten Teilbereich werden die Problemfelder der Auswertungskompetenz analysiert. Zwei

auffällige Problemfelder können identifiziert werden, die in der fehlenden Interpretation

(Übertragung auf das Raumbeispiel) sowie widersprüchlichen Erklärungen im Kontext der

127

6 Ergebnisse

Beobachtungen (unangemessener Umgang mit Anomalien) liegen. Der unangemessene

Umgang mit unerwarteten Ergebnissen bzw. Anomalien wird am Beispiel 1 (A4-A) analysiert.

Beispiel 1: A4-A

Beobachtung: Der Kontrollansatz [oben 50 g Salz und unten 10 g Salz] vermischt sich. Der 2. Versuch [oben 10 g Salz und unten 50 g Salz], da sieht man, dass es sich vermischt. Beim 3. Versuch [oben 0 g Salz und unten 50 g Salz] hat es sich alles deutlich vermischt. Der Kontrollansatz vermischt sich sichtbar. Beim 2. Versuch vermischt es sich deutlich. Der 3. Versuch: da hat sich alles vermischt. Erklärung: Das Salz vermischt sich nicht, weil es schwerer ist. Das mit dem höheren Gehalt ist schwerer und schwimmt deswegen nach unten. Bei dem Kontrollansatz vermischt sich alles, weil nur 50 g darin sind.

Die Probanden konzipieren drei Experimentansätze, die durchgeführt werden. Neben einer

angemessen Variation wird der Kontrollansatz geplant. Die anschließende Formulierung der

Beobachtung zeigt, dass es bei allen drei Durchführungen zu einer Vermischung der Was-

serschichten kommt. Eine Anomalie ist aufgetreten, die den erwarteten Beobachtungen wi-

derspricht. Der daraufhin folgende Erklärungsansatz „...vermischte sich nicht...“ verdeutlicht

den unangemessenen Umgang mit den Beobachtungen. Es treten unerwartete Ergebnisse

auf, die von den Schülerinnen und Schülern nicht berücksichtigt werden. Die eigenen An-

nahmen werden hingegen als Grundlage der Erklärung sowie der Hypothesenrevision ver-

wendet. Eine Fehler- oder Methodendiskussion erfolgt nicht, die im Sinne eines entspre-

chenden Umgangs mit Anomalien auf Basis der Methode angemessen ist. Die Einstufung in

den Kompetenzbereich 3 erfolgt in diesem und vergleichbaren Textausschnitten (s. Anhang

Kap. V Teilkompetenz Daten auswerten).

Der zweite Problembereich wird in der fehlenden Interpretation bzw. der fehlenden Übertra-

gung auf das Raumbeispiel Ostsee identifiziert. Am Beispiel 2 (D19-A) erfolgt die weitere

Analyse.

128

6 Ergebnisse

Beispiel 2: D19-A

Beobachtung: Schüttet man Salzwasser in ein Gefäß, wo der niedrigere Salzgehalt unten und der höhere oben ist, so vermischt es sich. Ist aber der niedrigerer Salzgehalt oben und der höhere unten, so vermischt es sich nicht und es bilden sich Farbschichten. Trifft sich das Salzwasser mit dem Süßwasser unten, vermischt es sich und man sieht keinen Unter-schied. Weiterführende Fragen: Was passiert, wenn man Süßwasser und Süßwasser mit unter-schiedlichem Zuckergehalt zusammenschüttet?

Die Probanden formulieren die Beobachtung auf Grundlage ihrer Hypothese „Das Salzwas-

ser ist schwerer als das Süßwasser und deshalb vermischt es sich nicht“. Die Planung und

Durchführung erfolgt mit dem Ziel, die Hypothese zu überprüfen. Ein Ergebnistransfer bleibt

hingegen offen. Die Probanden bleiben auf dem Niveau des Experiments und stellen keinen

Raumbezug her, so dass die Erkenntnisgewinnung auf dem künstlichen Niveau stagniert und

der Transfer zum konkreten Raum nicht erfolgt. Dieser Problembereich wurde bei der Mehr-

zahl der Protokolle (19 von 30) erhoben.

129

7 Diskussion

7 Diskussion

Die Diskussion der Ergebnisse erfolgt systematisch und entsprechend der Konzeption von

der Normierungs- und Interventionsstudie zur Evaluationsstudie.

7.1 Normierungsstudie

Durch die Normierungsstudie wurden in einer Querschnittsstudie Kompetenzen des Experi-

mentierens und des Fachwissens von Schülerinnen und Schülern der Jahrgänge 5 bis 9 er-

hoben. Zum einen wurde die Überprüfung der Güte des neu konzipierten Messinstruments

ermöglicht, zum anderen konnten durch die Erhebung der Ausgangssituation begründete

Entscheidungen für die Konzeption der folgenden Studien getroffen werden. Die Analysen

werden durch Korrelationsuntersuchungen, geschlechterspezifische Effekte sowie Aspekte

der Selbststeinschätzung ergänzt.

7.1.1 Experimentierkompetenz

Die Skalen des Kompetenztests sind an der Überprüfung der vier Teilkompetenzen des Ex-

perimentierens ausgerichtet, die aus den Bereichen a) Fragestellung formulieren, b) Hypo-

thesen generieren, c) Planung eines Experiments, d) Daten auswerten bestehen. In der

Normierungsstudie wird deutlich, dass das Kompetenzniveau in den Jahrgängen 5 bis 7 si-

gnifikant ansteigt (5/6 p ‹ 0,001; 6/7 p = 0,002). Auch in der Studie von HOF (2011) verzeich-

nen die Probanden der Jahrgangstufen 5 bis 7 einen Anstieg in der Experimentierkompe-

tenz. In gymnasialen Bildungswegen steigt der Kompetenzgrad bis zur Klassenstufe 9 weiter

an (HOF 2011, S. 94). In der vorliegenden Studie ist die Kompetenzabnahme vom Jahrgang

7 zur Klassenstufe 8 auffällig. Zudem erfolgt keine signifikante Kompetenzzunahme zwi-

schen den Jahrgängen 8 und 9. In der Normierungsstudie von HOF (2011) wird eine Kompe-

tenzsteigerung belegt, bei der allerdings zwischen den Jahrgängen 8 und 9 des Bildungs-

zweigs Realschule eine Abnahme in der Experimentierkompetenz im Median um einen

Punkt zu verzeichnen ist. In der Studie von GRUBE (2010) wird eine signifikante Kompetenz-

zunahme mit schwachen bis mittleren Effekten (p≤ 0.01; d≥ .20) zwischen den Jahrgängen

5/6 und 7/8 belegt. Es werden hingegen keine signifikanten Zunahmen zwischen den Jahr-

gängen 6/7 und 8/9 deutlich (GRUBE 2010, S. 60). Die biologiedidaktischen Studien von

GRUBE (2010) und HOF (2011) bestätigen die Stagnation des Kompetenzgrades, bei HOF

(2011) im Bildungsgang Realschule zwischen den Jahrgängen 8 und 9. Offen bleibt damit

die in der vorliegenden Studie belegte Kompetenzabnahme zwischen den Klassenstufen 7

und 8. Eine mögliche Schlussfolgerung ist die besonders effektive Kompetenzzunahme in

den Jahrgängen 5 bis 7. GRUBE (2010) belegt für die niedrigeren Jahrgänge (5 bis 7) signifi-

kant effektivere Kompetenzentwicklungen im Vergleich zu höheren Jahrgängen (9 bis 10) im

130

7 Diskussion

Längsschnitt eines Jahres. Allerdings belegt sie zugleich, dass im Jahrgang 8 in der Längs-

schnittanalyse höhere Werte erreicht werden als im Jahrgang 7. Diese sind jedoch nicht si-

gnifikant (GRUBE 2010, S. 72 f.).

Unter fachspezifischen Perspektiven kann der bis 2012 verpflichtende Lehrplan Hessens

Erklärungsoptionen bieten. Demnach wird in den Jahrgängen 7 und 8 laut Lehrplan das Fach

Erdkunde nicht unterrichtet. Können die Schülerinnen und Schüler im Jahrgang 7 ihre Kom-

petenzen aus dem Erdkundeunterricht des Jahrgangs 6 noch anwenden, so ist dies im Jahr-

gang 8 nur noch bedingt möglich. In den integrierten Gesamtschulen in Hessen, die das

Verbundfach Gesellschaftslehre anbieten, liegt der thematische Schwerpunkt, orientiert an

den Lehrplänen, in den Jahrgängen 8, 9 und 10 in den gesellschaftswissenschaftlichen Fä-

chern Politik/Wirtschaft und Geschichte. Dennoch muss berücksichtigt werden, dass die

Schülerinnen und Schüler in den Jahrgangsstufen 8 und 9 in Hessen verstärkt in den natur-

wissenschaftlichen Fächern unterrichtet werden und demnach davon ausgegangen werden

muss, dass sie Experimentierkompetenzen entwickeln konnten.

Die Darstellung der Teilkompetenzen in Abhängigkeit zur Jahrgangsstufe verdeutlicht ein

differenziertes Bild der Experimentierkompetenz. Demnach wird die Kompetenzzunahme von

Jahrgang 5 bis 7 ebenso bestätigt wie die Kompetenzabnahme zur Jahrgangsstufe 8. Die

Analyse der Gesamtstichprobe der Teilkompetenzen zeigt Leistungsunterschiede innerhalb

der einzelnen Kompetenzen. In den Teilbereichen Hypothesen generieren und Daten aus-

werten werden höhere Kompetenzgrade erreicht als in den Teilkompetenzen Fragestellung

formulieren und Planung eines Experiments. Auch in GRUBEs Studie (2010) werden diese

Unterschiede in den einzelnen Teilkompetenzen belegt und in der Diskussion erörtert

(GRUBE 2010, S. 90). Demnach wurden besonders hohe Effektstärken in den Kompetenzen

Hypothesen und Deutung nachgewiesen, die Reihenfolge der Teilkompetenzen mit abstei-

gendem Niveau entsprechen ebenfalls den vorliegenden Ergebnissen in der Abfolge Daten

auswerten → Hypothesen generieren → Planung eines Experiments → Fragestellung formu-

lieren (GRUBE 2010, S. 63). Insgesamt werden Bezüge zu verschiedenen Studien deutlich (Z.

B. HAMMANN ET AL. 2007; GRUBE 2010).

Zur Diskussion der hohen Punktwerte in der Teilkompetenz Daten auswerten kann eine

mögliche Ursache aufgeführt werden: Der Umgang mit Tabellen und Graphiken ist eine den

Probanden bekannte Methode aus dem mathematisch-naturwissenschaftlichen sowie sozi-

alwissenschaftlichen Unterricht. Auswertungsübungen, ob graphischer, tabellarischer oder

auf Diagrammen basierenden Daten, kennen die Lernenden aus anderen Fachdisziplinen.

So wird im Mathematikunterricht der Klassenstufe 7 (Bildungsgang Realschule) die be-

schreibende Statistik im Lehrplan als verbindlicher Unterrichtsinhalt aufgeführt

(KULTUSMINISTERKONFERENZ 2013d, S. 16). In den hessischen Bildungsstandards des Fa-

131

7 Diskussion

ches Politik und Wirtschaft wird konkret die Kompetenz benannt, empirische Forschungsme-

thoden anzuwenden, die Ergebnisse auszuwerten und in geeigneter Form darzustellen (Kul-

tusministerkonferenz 2013e, S. 24). Demgegenüber stehen die Teilkompetenzen Fragestel-

lung formulieren, Hypothese generieren und Planung eines Experiments, die primär natur-

wissenschaftlichen Kompetenzstrukturen unterliegen. SEIDEL ET AL. (2007) benennen zudem

die Anwendung der Methode im Unterricht, bei der jedoch oftmals die Auswertung von Er-

gebnissen im Fokus steht und zugleich die Entwicklung von naturwissenschaftlichen Frage-

stellungen sowie eigenständigen Planungen vernachlässigt werden.

Effekte hinsichtlich der Schulform lassen sich belegen. Schülerinnen und Schüler der Haupt-

schule erreichen einen signifikant niedrigen Kompetenzgrad in der Methode des Experimen-

tierens. Zwischen Hauptschule und IGS wird eine Differenz von 1,27 Punkten im Mittel und

einem Signifikanzwert von p ‹ 0,001 ermittelt. Die Differenz zwischen Hauptschule und Real-

schule mit 1,26 Punkten (p ‹ 0,001) unterschiedet sich nur marginal zur IGS. Die schlechten

Befunde von Hauptschülern wurden bereits in den PISA-Studien belegt (PISA-KONSORTIUM

2000; PISA-KONSORTIUM 2003; PISA-KONSORTIUM 2006; PISA-KONSORTIUM 2009), auch

wenn die naturwissenschaftlichen Teilkompetenzen der PISA-Erhebungen nicht mit den in

der vorliegenden Studie verwendeten identisch sind. GRUBE (2010) weist den Schülerinnen

und Schülern der Hauptschule ebenfalls große Leistungsunterschiede bezüglich des Kompe-

tenzstandes im Vergleich zu Realschülern und Probanden des Gymnasiums zu. Weiterhin

erzielen Realschüler sowie Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums im Längsschnitt si-

gnifikante Leistungszuwächse, die bei den Probanden der Hauptschule nicht nachgewiesen

werden (GRUBE 2010, S. 82). Die vielfältig vorliegenden Befunde der Hauptschüler verdeutli-

chen den besonderen Förderbedarf dieser Lerngruppen. Dabei müssen sozioökonomische

Aspekte berücksichtigt werden. Die Benachteiligung der Schülerinnen und Schüler aus sozial

niederen Schichten sowie die Relevanz des Migrationshintergrundes (31,8 Prozent der

Schülerinnen und Schüler mit Migrationshintergrund besuchen die Hauptschule) scheinen

weiterhin Einflussgrößen zu sein (SOLGA, DOMBROWSKI 2009, S. 13 ff.). Die Ergebnisse der

PISA-Studien zeigen ebenfalls Zusammenhänge zwischen den naturwissenschaftlichen

Kompetenzen und einem Migrationshintergrund (PISA-KONSORTIUM 2006, S. 368). Allerdings

werden weitere, nicht bekannte Bedingungsfaktoren vermutet, die auch in der vorliegenden

Arbeit Relevanz haben können. Zielführende Untersuchungen sollten sich in einem späteren

Vorhaben anschließen.

Hinsichtlich der Experimentierkompetenz erreichen die Schülerinnen einen nicht signifikant

höheren Kompetenzstand von 0,16 Punkten im Mittel (p = 0,07). Auch in der PISA-Studie

2009 werden ähnliche Ergebnisse deutlich, die bereits in den vorausgegangenen Erhe-

bungsphasen belegt wurden. Die männlichen Probanden weisen in den PISA-Studien eine

132

7 Diskussion

größere Streuung auf, was im Mittel zu relativierten Werten führt. Demnach ist in der natur-

wissenschaftlichen Kompetenz der Kompetenzunterschied zwischen männlichen und weibli-

chen Probanden nur schwach ausgebildet (KLIEME ET AL. 2010, S. 187). Auch GRUBE (2010)

kann keinen Zusammenhang zwischen dem Geschlecht und der Experimentierkompetenz

nachweisen.

Insgesamt muss jedoch die Gewichtung in den Teilkompetenzen Fragestellung formulieren

und Planung eines Experiments berücksichtigt werden, die ein höheres Anspruchsniveau in

den Kompetenzen Hypothesen generieren und Daten auswerten vermuten lassen, da dort

zwei Antworten richtig beantwortet werden mussten, um das volle Kompetenzniveau errei-

chen zu können. Zugleich werden dadurch differenzierte und detaillierte Analysen ermög-

licht, die in den Teilkompetenzen Fragestellung formulieren und Planung eines Experiment

durch Gewichtung ausgeglichen werden mussten. Dennoch lassen die Ergebnisse, auch

hinsichtlich der Pilotierungsphase, auf die Aussagekräftigkeit des Messinstruments schlie-

ßen.

7.1.2 Fachwissen

Im Fachwissenstest erreichen die Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 7 mit 2,11

Punkten im Mittel (SD 1,30) und der Stufe 9 mit 2,38 Punkten im Mittel (SD 1,48) das höch-

ste Niveau. Die Probanden der Klassenstufe 9 erreichten mit einer Differenz von 0,27 Punk-

ten einen höheren Mittelwert ohne signifikante Relevanz. Unterschiede zum Experimentier-

kompetenztest werden deutlich, wonach dort die Probanden der Klassenstufe 7 gegenüber

den Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 9 das höchste Niveau erreichen. Im

Fachwissenstest erreichen die Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 9 den höchsten

Wert. Dennoch steigt das Fachwissen von Jahrgang 5 zu 9 (7/9 nicht signifikant) mit Aus-

nahme der Klassenstufe 8 kontinuierlich an.

Der Anstieg des Fachwissens liegt darin begründet, dass die Themen des Fachwissenstests

keine im Lehrplan enthaltene Einheit darstellen. Inhalte verschiedener Themengebiete (z. B.

Aralsee, Boden, Totes Meer) werden erhoben, die in der Summe in den höheren Jahrgängen

verstärkt bekannt sein sollten. Zudem wird in den Jahrgängen 7 und 8 der Realschule in

Hessen Erdkunde nicht unterrichtet, wohingegen im Jahrgang 9 das Fach mit einer Unter-

richtsstunde in der Woche gelehrt wird.

133

7 Diskussion

7.1.3 Korrelation der Schulnoten, Experimentierkompetenz und Fachwissen

Ein mittlerer Zusammenhang (Spearman ρ = 0,4) zwischen der Experimentierkompetenz und

dem Fachwissenstest ist nachweisbar. Wie auch bei HOF (2011) wird demnach ein Unter-

schied zwischen der Experimentierkompetenz und dem Fachwissen deutlich, so dass von

einem unterschiedlichen Konstrukt ausgegangen werden kann. Auch KLOS ET AL. (2008)

bestätigen aus chemiedidaktischer Perspektive, dass chemisches Fachwissen und experi-

mentelle Erkenntnisgewinnung unterschiedliche Kompetenzen sind.

Die inhaltlich-thematische Bedeutung kommt nach HOF (2011) zum Tragen, da die Teilkom-

petenzen zwar Fachwissen beinhalten, aber nicht ausschließlich durch dieses generiert wer-

den können. Weitere Fähigkeiten und Fertigkeiten sind notwendig, um die Experimentierme-

thode kompetent anwenden zu können. Umgekehrt bedeutet der mittlere Zusammenhang

eine mögliche höhere Kompetenzentwicklung bei gleichzeitig höherem Fachwissen, da ein

hohes Fachwissen die Lernenden besser in die Lage versetzen kann, die Teilkompetenzen

des Experimentierens zu entwickeln.

Die kognitive Leistungsfähigkeit der Gesamtstichprobe wird an den Schulnoten der Unter-

richtsfächer Biologie und Erdkunde erhoben. Die Korrelation zwischen den Schulnoten und

der Experimentierkompetenz sind als schwach (Biologie: Spearman ρ = -0,2; Erdkunde:

Spearman ρ = -0,3) zu bezeichnen. Der negative ρ-Wert ist durch das Notensystem (1 [sehr

gut] bis 6 [ungenügend]) zu erklären, in dem die niedrigere Zahl für eine sehr gute Leistung

steht. Im Kompetenztest ist dies entgegengesetzt zu interpretieren. Demnach steht eine ho-

he Punktzahl für eine gute Leistung. Die schwache Korrelation lässt den Rückschluss zu,

dass durch die im Unterricht bescheinigte Note nicht notwendigerweise Aussagen über die

Experimentierkompetenz gezogen werden können. Schülerinnen und Schüler, die eine

schlechte Biologienote haben, können eine hohe Experimentierkompetenz erreichen. Umge-

kehrt bedeutet eine gute Schulnote nicht zwangsläufig eine hohe Experimentierkompetenz.

Auch GRUBE (2010) und HOF (2011) bestätigen nur schwache Effekte zwischen der Schulno-

te (Biologie) und der Experimentierkompetenz.

7.1.4 Korrelation der Selbsteinschätzung und des Vorwissenstests

Die Schülerinnen und Schüler wurden aufgefordert, ihr Können in der Methode des Experi-

mentierens einzuschätzen. Gemessen durch eine fünfstufige Likert-Skala (sehr gut bis sehr

schlecht), geben die meisten Probanden (N = 288) eine gute Selbsteinschätzung an. In der

PISA-Erhebung 2006 wurden das Fähigkeitsselbstkonzept und die Selbstwirksamkeitserwar-

tung erhoben. Die Selbstwirksamkeitserwartung zielt auf die Bewertung der eigenen Fähig-

134

7 Diskussion

keit ab. Die Einschätzung der deutschen Schülerinnen und Schüler in ihrer Selbstwirksam-

keit in den Naturwissenschaften liegt in der PISA-Evaluierung 2006 ebenfalls leicht über dem

OECD-Durchschnitt. Allerdings sollte ein internationaler Vergleich aufgrund interkultureller

Unterschiede nicht erfolgen (PISA-KONSORTIUM 2006, S. 134). Die Überprüfung der Metho-

denkenntnis wurde in der vorliegenden Arbeit durch einen Vorwissenstest durchgeführt, der

auf Testfragen zum experimentellen Algorithmus sowie auf weiteren methodischen Aspekten

beruhte. Die Testfragen zielen auf für die vorliegende Arbeit entscheidende Inhalte ab, die u.

a. im Kontext der Variablen (Planung eines Experiments), der Bedeutung eines naturwissen-

schaftlichen Experiments (Fragestellung formulieren und Hypothesen generieren) und der

Reihenfolge der einzelnen Phasen festgelegt wurden. Die Korrelation (Kendall Tau b – 0,05;

p = 0,16) zeigt keine Zusammenhänge. Dies lässt erkennen, dass die Probanden ihr Können

in der Methode gut einschätzen, zugleich jedoch über breit gestreute, allerdings eher geringe

Kenntnisse der experimentellen Erkenntnisprozesse verfügen. Auch EHMER (2008) zeigt,

dass Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 6 im gymnasialen Bildungsbereich vor

der Intervention im Fach Biologie über ein geringes Methodenwissen in den Bereichen Hypo-

thesen generieren und Planung eines Experiments verfügen. Die Erkenntnisse lassen die

Schlussfolgerung zu, dass die Probanden im Fach Geographie über Fehlvorstellungen der

Methode verfügen, da ihre gute Selbsteinschätzung nicht mit den geringen Methodenkennt-

nissen in Einklang zu bringen ist. Eine mögliche Erklärung kann eine Schulbuchprüfung von

Geographiebüchern erbringen, nach der knapp 50%, im Einzelfall etwa 13% der als Experi-

ment ausgewiesenen Methoden den Kriterien eines Experiments nicht gerecht werden

(LETHMATE 2003, S. 42). Es handelt sich bei den Methoden vielmehr um einfache Beobach-

tungen oder Untersuchungen (z. B. pH-Wert Messung) (LETHMATE 2003, S. 42). Durch die

hier präsentierte fehlerhafte Darbietung des geographischen Experimentes wird ein falsches

Verständnis der naturwissenschaftlichen Methode im Geographieunterricht begünstigt. Auch

HAMMANN (2004) benennt das Problem der fehlerhaften Schülervorstellungen zur Methode

des Experimentierens. Ob diese Erklärung alleine die Diskrepanz zwischen Selbsteinschät-

zung und Methodenkenntnis plausibel macht, bleibt jedoch offen.

Als Resultat kann aufgezeigt werden, dass eine gezielte Förderung und empirische Überprü-

fung der naturwissenschaftlichen Methode unter Berücksichtigung der Kriterien eines Expe-

rimentes im Geographieunterricht notwendig ist, um die aufgezeigten Kompetenzlücken zu

schließen und die Schülerinnen und Schüler zu einem adäquaten Umgang mit geographi-

schen-naturwissenschaftlichen Problemen und Phänomen zu befähigen. Eine Interventions-

studie wurde konzipiert und durchgeführt, die gezielt die Kompetenzförderung der vier Teil-

bereiche des Experimentes ermöglichen soll (s. Kap. 7.3).

135

7 Diskussion

Die Normierungsstudie hatte zum Ziel, einen allgemeinen Kompetenzstand der Schülerinnen

und Schüler zu erheben und neben der Güteüberprüfung des Messinstruments, Einflussfak-

toren auf das Kompetenzniveau zu identifizieren. Als Einflussfaktoren können insbesondere

das Alter und die Schularten benannt werden, die in der Interventionsstudie berücksichtigt

und konstant gehalten werden mussten. Aufgrund der vergleichbaren Ergebnisse wurden die

Bildungsgänge Realschule und IGS in der Jahrgangsstufe 6 für die Interventionsstudie ge-

wählt. Weiterhin wurden durch die Normierungsstudie vielfältige Referenzdaten erhoben, die

spätere Evaluierungen erleichtern werden und rückblickende Analysen der Kompetenzent-

wicklung ermöglichen. Die in der Normierung erhobenen Ergebnisse entsprechen weitestge-

hend den Resultaten vergleichbarer Untersuchungen vorausgegangener Studien zur Expe-

rimentierkompetenz (z. B. EHMER 2010; KLIEME ET AL. 2010; HOF 2011), so dass das Mess-

instrument als geeignet bezeichnet werden kann.

7.2 Kontrolle der Störvariablen (Interventionsstudie)

Die Kontrolle der Störfaktoren wurde auf Grundlage von BORTZ und DÖRING (2006) sowie

HELMKE (2006) konzipiert. Die Eingangsvoraussetzungen, gemessen an den Kompetenzen

der beteiligten Lerngruppen im Pretest, weisen nur leichte Abweichungen auf. Die statisti-

sche Überprüfung der Treatmentgruppen, unterteilt in Versuchs- und Vergleichsgruppen,

belegt keine signifikanten Unterschiede (p = 0,58). Demnach kann von gleichen Kompetenz-

voraussetzungen der Gruppen ausgegangen werden.

Die Überprüfung des Schularteneffekts belegt in der vorliegenden Studie für die Jahrgangs-

stufe 6 keine signifikanten Unterschiede zwischen Schülerinnen und Schülern der Realschu-

le und IGS (p = 0,99). In den Ergebnissen der PISA-Erhebungen werden diesbezüglich an-

dere Befunde deutlich. In den PISA-Erhebungen werden Unterschiede zwischen den Pro-

banden der Realschule und IGS belegt, bei denen die Schülerinnen und Schüler der Ge-

samtschule schlechtere naturwissenschaftliche Kompetenzen aufweisen. Eine mögliche Er-

klärung dieser verschiedenen Befunde könnte zum einen im Alter (Jahrgangsstufe) der teil-

nehmenden Lernenden liegen. So wird in dieser Studie das Alter der Probanden anhand des

Jahrgangs 6, die im Mittel im Pretest 12,02 Jahre alt sind, konstant gehalten. In den PISA-

Erhebungen werden hingegen 15-jährige Schülerinnen und Schüler (etwa Jahrgangsstufe 9)

befragt, so dass ein Einfluss des Alters auf die unterschiedlichen Ergebnisse nicht ausge-

schlossen werden kann. Demgegenüber zeigt GRUBE (2010), dass das Alter keinen Effekt

auf die mit der Zeit ansteigende Kompetenzentwicklung hat. Ein weiterer möglicher Einfluss-

faktor ist die soziale Herkunft. Demnach werden in den PISA-Ergebnissen 2006 insbesonde-

re die Stadtstaaten Hamburg und Berlin aufgeführt, in denen ein deutlicher Zusammenhang

zwischen Herkunft und Kompetenzniveau festgestellt wurde (PISA-KONSORTIUM 2006, S.

136

7 Diskussion

26). An der vorliegenden Interventionsstudie konnten keine Schulen aus Großstädten teil-

nehmen, so dass die soziodemographischen Komponenten der an der Intervention beteilig-

ten Gesamtschule im Vergleich zu den PISA-Erhebungen das Ergebnis positiv beeinflusst

haben könnten.

Der Einfluss auf den Kompetenzgrad durch die Lehrkraft der Lerngruppen wurde auf Effekte

untersucht, indem alle an der Intervention beteiligten Lerngruppen einzelner Lehrkräfte auf

signifikante Unterschiede im Kompetenzniveau untersucht wurden. Da nur zwei der neun

beteiligten Lerngruppen von der gleichen Lehrperson unterrichtet wurden, konnte eine breite

Varianz hinsichtlich des Faktors Lehrer erzielt werden. Die Signifikanzanalyse ergab keine

statistisch relevanten Unterschiede (ANOVA p = 0,13.). Ein Einfluss der Lehrperson auf die

Ergebnisse im Pretest wird ausgeschlossen.

Die Gestaltung der Intervention (Versuchs- und Vergleichsgruppe) wurde im Vorfeld durch

die Konzeption (Vorgespräche, Materialmappe, Materialien, Anleitung) auf einem möglichst

hohen standardisierten Niveau gehalten. Die Bedingungen der Unterrichtsqualität sowie des

Lernumfelds wurden bereits dargestellt (s. Kap. 4.3.2 & 6.2).

Zusammenfassend wird festgehalten, dass möglichen Störvariablen, bestehend aus Ein-

gangsvoraussetzungen, Jahrgangsstufe, Treatmentgruppen und Lehrpersonen, keine signifi-

kanten Unterschiede nachgewiesen werden können. Demnach wird diesbezüglich von glei-

chen Voraussetzungen im Pretest ausgegangen. Die Bedingungen Unterrichtsqualität und

Lernumgebung wurden im Vorfeld durch ein möglichst hohes Maß kontrolliert. Dabei wird die

Unterrichtsqualität insbesondere durch Instruktionen sowie die Qualität des Lehr-

Lernmaterials kontrolliert. Detaillierte Materialien (Einstiegfolien, Arbeitsblätter, Lösungsvor-

schläge) und sequenzierte Anleitungen (zeitliche Vorgaben) erhöhen das standardisierte

Vorgehen der beteiligten Personen. Allerdings muss offen bleiben, inwiefern die Lernumge-

bung, gemessen an z.B. soziodemographischen Aspekten oder Klassenklima, das Lernen

beeinflusst. Mögliche Einflussfaktoren können nur vermutet werden. Da in den Ergebnissen

des Pretests in den Störvariablen Eingangsvoraussetzungen, Jahrgangsstufe, Treatment-

gruppen und Lehrperson keine statistischen Auffälligkeiten belegt wurden, wird von gleichen

Ausgangsvoraussetzungen in der Interventionsstudie ausgegangen. Die Ergebnisse der

Hauptstudie werden im Folgenden detaillierter diskutiert.


Wie bereits von WEINERT (2001) als Reaktion auf die schlechten Ergebnisse deutscher

Schülerinnen und Schüler in der PISA-Erhebung 2000 gefordert, sollten Lernentwicklungen

überprüft und empirisch belegt werden. Auch wenn positive Entwicklungen der naturwissen-

schaftlichen Kompetenzen in den Folgeerhebungen deutlich wurden, zeigt die breite Streu-

137

7 Diskussion

ung einen besonderen Förderbedarf bei Schülerinnen und Schülern des nichtgymnasialen

Bildungsganges, so dass Lernende niedrigerer Bildungsgänge primär in den Fokus der vor-

liegenden Studie rücken. Eine gezielte Kompetenzförderung des mittleren und unteren Lei-

stungsbereichs wird auch im Zuge der PISA-Ergebnisse 2009 gefordert, um die Schere der

Kompetenzstreuung weiter zu schließen. Als Beispiele gehen dabei Spitzenreiter wie Finn-

land voran (PISA-KONSORTIUM 2009). Gerade problemorientierte Lernumgebungen werden

als notwendige Voraussetzung benannt, um naturwissenschaftliche Kompetenzen entwickeln

zu können. Daher soll durch die Interventionsstudie die Überprüfung der Effektivität der

Kompetenzförderung, basierend auf dem problemlösenden Unterrichtsansatz, ermöglicht

werden.

7.3.1 Entwicklung der Experimentierkompetenz (Pretest-/Posttest-Vergleich)

Die erste Forschungsfrage richtet sich nach dem unterschiedlichen Kompetenzzuwachs der

Schülerinnen und Schüler, die entweder mit dem problemlösenden Ansatz (Versuchsgruppe)

oder dem fragend-gelenkten Ansatz (Vergleichsgruppe) unterrichtet wurden. In der ersten

Hypothese wird die Vermutung gestellt, dass die Schülerinnen und Schüler der Versuchs-

gruppe einen höheren Kompetenzzuwachs in der Methode des Experimentierens verzeich-

nen.

Fragestellung 1: Zeigen die mit dem problemlösenden Ansatz unterrichteten Schülerinnen

und Schüler (Versuchsgruppe) einen höheren Kompetenzzuwachs als die Probanden, die im

fragend-gelenkten Ansatz (Vergleichsgruppe) unterrichtet werden?

Hypothese 1: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen und

Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompetenzniveau (positiver Effekt) in der Methode

des Experimentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

Ausgehend von einer gleichen Ausgangslage im Pretest, zeigen die Schülerinnen und Schü-

ler der Versuchsgruppe insgesamt einen positiven Effekt zum Posttest hinsichtlich der Kom-

petenzentwicklung in der Methode des Experimentierens. Damit kann festgehalten werden,

dass die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe, die mit dem problemlösenden An-

satz unterrichtet wurden, einen deutlichen Kompetenzzuwachs in der Methode des Experi-

mentierens entwickeln konnten. Dieser unterscheidet sich zudem eindeutig von den Proban-

den der Vergleichsgruppe, die mit dem fragend-gelenkten Unterrichtsansatz unterrichtet

wurden. Dabei wird eine starke Kompetenzentwicklung der Versuchsgruppe zum zweiten

Messzeitpunkt deutlich. Die Kompetenzzunahme der Versuchsgruppe mit 9,05 Punkten

übersteigt dort die Kompetenzentwicklung der Vergleichsgruppe mit 1,7 Punkten unverkenn-

bar. Die statistische Überprüfung der Unterschiede der Kompetenzentwicklung vom Pre-

138

7 Diskussion

zum Posttest ergibt für die Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppe) signifikante Unter-

schiede (p ‹ 0,001). Demnach konnten die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe

kurzzeitig eine sehr hohe Kompetenzzunahme im Vergleich zur Kontrollgruppe erlangen.

Hypothese 1 kann somit bestätigt werden.

Als Fazit kann die Effektivität des Ansatzes deutlich aufgezeigt werden. Die Gruppen (Ver-

suchs- und Vergleichsgruppen) wurden in der gleichen zeitlichen Dimension mit weitestge-

hend analogen fachlichen Inhalten unterrichtet. Dabei ist anzumerken, dass die Schülerinnen

und Schüler der Versuchsgruppe mit einem umfangreicheren fachlichen Inhalt unterrichtet

werden mussten. Die thematischen Schwerpunkte wurden identisch konzipiert; um jedoch

die gleiche zeitliche Dimension der Vergleichs- und Versuchsgruppe gewährleisten zu kön-

nen, wurden z.B. topographische Aspekte in der Vergleichsgruppenkonzeption der Unter-

richtseinheit ausgeweitet. Unter dem Gesichtspunkt, die Unterrichtskonzeptionen auf einem

möglichst hohen Maximum der standardisierten Bedingungen zu halten, erlangen die Pro-

banden der Versuchsgruppe ein deutlich höheres Kompetenzniveau in der Experimentierme-

thode als die Schülerinnen und Schüler der Vergleichsgruppe.

Die PISA-Ergebnisse 2009 bestätigten insbesondere den Realschülern sowie Schülerinnen

und Schüler der IGS eine gestiegene, jedoch nur mittelmäßige naturwissenschaftliche Kom-

petenz, gemessen am Mittelwert (KLIEME ET AL. 2010, S. 190). Die vorliegenden Ergebnisse

zeigen jedoch, dass Lernende der genannten Schularten deutliche Kompetenzentwicklungen

in der Methode bei entsprechender Förderung erlangen können. Eine mögliche Erklärung

bietet die Annahme, dass in den Bildungsgängen der Realschule und IGS die naturwissen-

schaftliche Kompetenzförderung gemäß den Forderungen der PISA-Konsortien in einem zu

geringen Umfang erfolgte. Die Entwicklung der Schülerinnen und Schüler des gymnasialen

Bildungsgänge von 578 Punkten im Mittel im Jahr 2000 zu 602 Punkten im Jahr 2009 lässt

zum einen eine bereits hohe Ausgangskompetenz und zum anderen gezielte Förderung seit

2000 erkennen. In den PISA-Ergebnissen 2009 wird deutlich, dass nicht nur eine breite

Streuung zwischen den Bildungsgängen, sondern auch innerhalb dieser belegt wurde

(KLIEME ET AL. 2010, S. 190). Demnach wird bereits in den PISA-Erhebungen ebenso wie in

den vorliegenden Ergebnissen deutlich, dass die naturwissenschaftliche Kompetenzentwick-

lung durch gezielte Förderung in den Bildungsgängen Realschule und IGS zu einem hohen

Kompetenzgrad führt. Auch sprechen Ergebnisse der PISA-Spitzenreiter wie Finnland dafür,

dass die Förderung naturwissenschaftlicher Kompetenzen bei Schülerinnen und Schülern

verschiedener, auch niedrigerer Leistungsniveaus möglich ist. In Finnland wird eine unter-

durchschnittliche Streuung (Finnland SD = 89 Punkte; OECD-Mittel SD = 94 Punkte) bei zu-

gleich höchstem Rangwert (MW = 554) belegt (KLIEME ET AL. 2010, S. 185).

139

7 Diskussion

Eine weitere Erklärungsmöglichkeit kann in der fehlerhaften Methodenvorstellung der Lehr-

kräfte liegen. Diese wird bei GÜNTHER (2006) und EHMER (2008) benannt. Haben die Lehr-

kräfte Fehlvorstellungen über die naturwissenschaftliche Methode, wird diese an die Schüle-

rinnen und Schüler weitergegeben. Die Problematik wird durch die bereits erwähnte Fehldar-

stellung des geographischen Experimentes in Schulbüchern verstärkt. Auch die seltene

Durchführung der Methode im Geographieunterricht stellt ein Problem dar (HEMMER,

HEMMER 2010, S. 65 ff.). Die Lehrplananalyse des Landes Hessens verdeutlicht, dass natur-

geographische Themen und Methoden eine verminderte Rolle gegenüber anthropogeo-

graphischen Inhalten einnehmen. Im hessischen Lehrplan wurde die Experimentiermethode

nicht aufgeführt (ein Hinweis zu Konvektionsversuchen lag vor) und fand erst im Zuge der

2007 neu konzipierten und 2012 verpflichtenden Bildungsstandards Berücksichtigung (DGFG

2007, S. 20; KULTUSMINISTERKONFERENZ 2013b). Daher kann vermutet werden, dass die Ex-

perimentiermethode im Geographieunterricht seltener angewendet wurde oder nicht auf die

geforderte Kompetenzförderung im Sinne eines naturwissenschaftlichen Experimentes ab-

zielte. Dabei zeigen die Ergebnisse der Studie im Bereich der ersten Forschungsfrage, dass

durch den Ansatz des problemlösenden Lernens die geographische Experimentierkompe-

tenz deutlich gesteigert werden kann, im Zuge dessen Problemlösestrategien entwickelt und

gefördert wurden und die Effektivität des naturwissenschaftlichen Ansatzes im Geographie-

unterricht belegt werden konnte.

7.3.2 Langzeiteffekt Experimentierkompetenz (Pretest-/Follow-Up-Vergleich)

In der dritten Hypothese wird der Langzeiteffekt der Kompetenzzunahme der Experimentier-

kompetenz untersucht. Es wurde von einem positiven Langzeiteffekt hinsichtlich der Experi-

mentierkompetenz ausgegangen.

Hypothese 1.1: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Versuchsgruppe ist langfristig

wirksam.

In der Betrachtung der gesamten Experimentierkompetenz konnten die Schülerinnen und

Schüler der Versuchsgruppe einen signifikant höheren Kompetenzerwerb vom ersten Mess-

zeitpunkt (Pretest) zum dritten Messzeitpunkt (Follow-Up) mit einem Zuwachs um 3,1 Punkte

im Mittel verzeichnen, so dass, wenn auch im geringeren Maße, im Vergleich zur Posttester-

hebung der Effekt auf lange Sicht positiv wirkt. Dies steht im Kontrast zu den Schülerinnen

und Schülern der Vergleichsgruppe, die mit einer Kompetenzzunahme um 1,53 Punkte im

Mittel vom ersten zum dritten Messzeitpunkt eine deutlich geringere Kompetenzentwicklung

verzeichnen können. Die Entwicklung beider Gruppen verläuft vom ersten zum dritten Mess-

zeitpunkt (p = 0,01) signifikant unterschiedlich. Hypothese 1.1 wird noch bestätigt.

140

7 Diskussion

Die Annahme von KIRSCHNER ET AL. (2006), dass die Kompetenzförderung zu einem gerin-

geren Lernzuwachs führt, kann demnach nicht bestätigt werden.

Eine Abnahme vom zweiten zum dritten Messzeitpunkt wird deutlich, die auch bei WALPUSKI

(2006) in einer chemiedidaktischen Interventionsstudie hinsichtlich kooperativen Arbeitens

und Inquiry-Aufgaben mit Pre-, Post- und Follow-Up-Vergleichen im Fachwissenstest zu ver-

zeichnen ist, dort jedoch geringere Wissensabnahmen aufzeigt. Demnach werden Lei-

stungsabnahmen deutlich, die im hier untersuchten methodischen Erkenntnisgewinn stärker

nachgewiesen wurden. Weiterhin belegt HOF (2011) keine Abnahme im naturwissenschaftli-

chen Kompetenzerwerb. Steigerungen vom Pretest zum Posttest sowie zur Follow-Up-

Erhebung sind erkennbar. Der Einfluss der beteiligten Schularten kann eine Erklärungsmög-

lichkeit bieten. In der Interventionsstudie von HOF (2011) waren Schülerinnen und Schüler

des gymnasialen Bildungsgangs an der Intervention beteiligt. Die hier intervenierten Proban-

den der Realschule und IGS zeigen eine Kompetenzabnahme zur Follow-Up-Erhebung. Als

Resultat wird ein positiver Effekt der Intervention auf die Experimentierkompetenz belegt, so

dass Kompetenzen erworben wurden, die zum Teil noch nach zwei Monaten vorhanden wa-

ren. Die Abnahme zum dritten Messzeitpunkt verdeutlicht zugleich, dass eine einmalige In-

tervention der komplexen methodischen Inhalte des Experimentierens bei Schülerinnen und

Schülern der Realschule und IGS zwar eine Basis schafft, die durch weitere Förderungen im

Sinne eines Spiralmodells mit ansteigendem Öffnungsgrad und Anspruchsniveau zu einer

effizienteren und langfristigen Kompetenzentwicklung führen kann.

Die Frage, ob der Kompetenzgrad bei fortschreitender Zeit (z. B. 6 Monate später) weiter

abnimmt oder es zu einem konstanten Wert nach zwei Monaten gekommen ist, muss an

dieser Stelle offen bleiben. Der mögliche Einfluss einzelner Teilkompetenzen auf das Ge-

samtergebnis wird in einem späteren Kapitel diskutiert.

7.3.3 Entwicklung der Teilkompetenzen des Experimentierens (Pretest-/Posttest-

Vergleich)

Die breite Diskussion der Kompetenzbereiche des Experimentierens, die primär zwischen

drei (Hypothesen generieren, Planung eines Experiments, Daten auswerten) und vier (Fra-

gestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines Experiments, Daten auswer-

ten) Teilkompetenzen differenziert (z. B. DUNBAR, KLAHR 1998; HAMMANN 2004; WALPULSKI

ET AL. 2008; MAYER ET AL. 2009; OTTO ET. AL 2010), erfordert eine detaillierte Analyse der

Experimentierkompetenz. Entsprechend der theoretischen Grundlage wurden vier Teilkom-

petenzen identifiziert, die im Folgenden detailliert betrachtet werden. Ausgehend von Hypo-

these 1, wurde eine erhöhte Kompetenzentwicklung bei den Probanden der Versuchsgruppe

in allen vier Teilkompetenzen erwartet.

141

7 Diskussion

Hypothese 1.2: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen

und Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompetenzniveau (positiver Effekt) in allen

vier Teilkompetenzen des Experimentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

Der positive Effekt der gesamten Experimentierkompetenz differenziert sich innerhalb der

einzelnen Teilkompetenzen. So belegen die Ergebnisse der Teilkompetenz Fragestellung

formulieren einen kurzfristigen positiven Effekt vom Pretest zum Posttest für die Versuchs-

gruppe. Ausgehend von 1,33 Punkten im Mittel der Versuchsgruppe und 1,13 hinsichtlich der

Vergleichsgruppe ohne signifikante Unterschiede zwischen beiden Gruppen (p = 0,84), errei-

chen die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe im Posttest 4,20 Punkte und damit

eine Zunahme von 2,87 Punkten im Mittel. Demgegenüber erreichten die Probanden der

Vergleichsgruppe zum zweiten Messzeitpunkt 1,92 Punkte und somit eine Kompetenzzu-

nahme um 0,79 Punkte im Mittel. Die Entwicklung der Gruppen unterscheidet sich signifikant

(p ‹ 0,001).

In der Teilkompetenz Hypothesen generieren wird ein positiver Effekt der Versuchsgruppe

belegt. Deutlich werden positive Effekte durch signifikante Unterschiede in der Entwicklung

der beiden Gruppen (p ‹ 0,001) vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt, bei der eine Kompe-

tenzsteigerung der Versuchsgruppe von 2,55 Punkte im Mittel und der Vergleichsgruppe um

0,04 Punkte vom Pretest zum Posttest belegt wurde.

Die Schülerinnen und Schüler beider Treatmentgruppen zeigten im Pretest der Teilkompe-

tenz Experiment planen vergleichbare Ausgangssituationen. Nach der Intervention unter-

scheiden sich die Entwicklungen der Gruppen vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt signi-

fikant voneinander. Die Kompetenzzunahme der Versuchsgruppe steigt um 2,55 Punkte im

Mittel. Demgegenüber steht die Vergleichsgruppe, die eine leichte Abnahme der Kompeten-

zen um 0,21 Punkte im Mittel zu verzeichnen hat. Die Entwicklung der Gruppen zum Mess-

zeitpunkt 2 in der Teilkompetenz Experiment planen ist signifikant unterschiedlich (p ‹ 0,001)

mit positiven Effekten für die Versuchsgruppe.

In den ersten drei Teilkompetenzen der Methode werden deutliche Effekte einer höheren

Kompetenzentwicklung für die Versuchsgruppe belegt. Die Ergebnisse entsprechen weitest-

gehend den Befunden der gesamten Experimentierkompetenz. In der Teilkompetenz Frage-

stellung formulieren erreichten die Probanden der Versuchsgruppe eine leicht höhere Kom-

petenzzunahme. Die Kompetenzentwicklung in den Bereichen Hypothesen generieren und

Planung eines Experiments ist hingegen identisch (2,55 Punkte im Mittel). Die Unterschiede

zur Teilkompetenz Fragestellung formulieren sind mit einer Differenz von 0,32 Punkten sehr

gering und können vernachlässigt werden. Allerdings stellt GRUBE (2010) in ihrer Längs-

schnittstudie im Jahrgang 6 in der Teilkompetenz Fragestellung signifikante Entwicklungen

142

7 Diskussion

fest, die in den Bereichen Hypothesen generieren und Planung eines Experiments nicht be-

legt werden. Insgesamt werden in der Teilkompetenz Fragestellung formulieren minimale,

statistisch nicht belegte Vorteile deutlich.

Auch die Versuchsgruppe erreichte in der Teilkompetenz Fragestellung formulieren den

höchsten Kompetenzzuwachs, im Bereich Planung eines Experiments hingegen eine Nega-

tiventwicklung, die in ähnlichen Befunden auch bei GRUBE (2010) im Längsschnitt belegt

werden.

In der Teilkompetenz Daten auswerten kann insgesamt kein positiver Effekt in der Entwick-

lung der Versuchsgruppe verzeichnet werden. Ausgehend von einem unterschiedlichen Lei-

stungsstand im Pretest (p = 0,006), bei dem die Versuchsgruppe über ein höheres Kompe-

tenzniveau von 0,93 Punkten verfügt, verläuft die Kompetenzentwicklung zwischen beiden

Gruppen zum zweiten Messzeitpunkt nicht signifikant unterschiedlich (p = 0,33). Die Ver-

suchsgruppe erreicht eine Kompetenzsteigerung von 1,03 Punkten im Mittel und die Ver-

gleichsgruppe von 1 Punkt.

In der Teilkompetenz Daten auswerten wurde ein hohes Ausgangsniveau der Versuchsgrup-

pe mit 4,22 von 6 Punkten im Mittel aufgezeigt. Diese hohe Kompetenz wird auch in der Stu-

die von GRUBE (2010) aufgezeigt. Die Schülerinnen und Schüler erreichen dort in allen Jahr-

gangsstufen (5 bis 10) sowie in der Analyse der Gesamtstichprobe in der Teilkompetenz Da-

ten auswerten (Deutung) den höchsten Kompetenzstand (GRUBE 2010, S. 62 f.). Weiterhin

wird für diese als einzige der vier Teilkompetenzen keine Leistungszunahme, sondern eine -

abnahme über ein Schuljahr belegt (GRUBE 2010, S. 81). Die in dieser Studie nachgewiese-

ne Auffälligkeit der Teilkompetenz Daten auswerten wurde somit auch in vergleichbaren Stu-

dien deutlich. Andere Studien belegen einen solchen Effekt nicht. Im Pre-/Postvergleich der

Studie von HOF (2011) erreicht die Experimentalgruppe I (offene Experimentiergruppe) ge-

genüber der Kontrollgruppe einen signifikant höheren Kompetenzerwerb in der Teilkompe-

tenz Daten auswerten.

Hier muss ein Deckeneffekt zur Diskussion gestellt werden. Die hohe Ausgangskompetenz,

die mit einem deutlich geringeren Grad (3,40 von 6 möglichen Punkten) bereits in der Nor-

mierungsstudie erkennbar war, konnte in der Jahrgangsstufe 6 der Versuchsgruppe mit 4,22

Punkten bei einer Zunahme von 0,82 Punkten zur Gesamtstichprobe der Normierungsstudie

deutlich gesteigert werden (Versuchsgruppe 3,29 Punkte im Pretest). Dieser unerwartet ho-

he Ausgangswert im Pretest der Versuchsgruppe hatte wahrscheinlich einen Decken- oder

Ceiling-Effekt zur Folge, so dass die hohen Messwerte der Probanden nicht mehr verändert

bzw. gesteigert werden konnten (BORTZ , DÖRING 2006, S. 558).

143

7 Diskussion

Insgesamt bestehen signifikante Unterschiede zwischen der Entwicklung der beiden Treat-

mentgruppen mit positiven Effekten für die Versuchsgruppe in den Teilkompetenzen a) Fra-

gestellung formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Experiment planen. Für die Teilkompe-

tenz d) Daten auswerten wird dieser Effekt nicht bestätigt. Hypothese 1.2 kann deshalb nur

teilweise bestätigt werden.

Der Vergleich der Gruppen belegt, dass eine gezielte methodische Förderung signifikante

Effekte auf die Entwicklung der naturwissenschaftlichen Kompetenz in den Bereichen Frage-

stellung formulieren, Hypothesen generieren und Planung eines Experiments hatte. Dem-

nach bedarf es gezielter und spezifischer Förderung, um die Methodenkompetenz bei Schü-

lerinnen und Schülern entwickeln zu können. Dies steht im Gegensatz zu den Ergebnissen

von EHMER (2008), in denen die Probanden der Experimentalgruppe durch methodische In-

tervention in der Teilkompetenz Hypothesen identifizieren im Vergleich zur Kontrollgruppe

kein höheres Kompetenzniveau erreichten. EHMER (2008) führt zur Erklärung die allgemei-

nen logischen Denkfähigkeiten auf, die zum Identifizieren der Hypothesen ausreichen kön-

nen. In der vorliegenden Studie wird dieser Effekt nicht belegt, so dass davon ausgegangen

werden kann, dass zur Entwicklung der geographischen Hypothesengenerierung spezifische

methodische Kenntnisse gefördert werden müssen, die durch rein logisches Denkvermögen

nicht kompensiert werden können. Im Bereich Daten auswerten bleibt dies fraglich, da auch

die Probanden der Vergleichsgruppe deutliche Kompetenzentwicklungen ohne methodische

Intervention entwickeln konnten. HAMMANN ET AL. (2007a) vermutet für den Kompetenzbe-

reich Analyse von Daten (Daten auswerten), dass insbesondere inhaltliches Wissen notwen-

dig sei und weniger methodisches. Dies könnte Erklärungsoptionen für die niedrige Kompe-

tenzentwicklung der Versuchsgruppe bieten, da die Probanden der Vergleichsgruppe durch

den inhaltlichen Wissenszuwachs ihre Kompetenz im Bereich Daten auswerten gleichwertig

gegenüber den Probanden der Versuchsgruppe fördern konnten. Demnach scheint die An-

nahme, dass diese Teilkompetenz primär auf inhaltlichem Wissen beruht, gestärkt worden zu

sein. Aufgrund von möglichen Deckeneffekten muss dies jedoch vorsichtig interpretiert wer-

den. Folgestudien sollten anschließen.

Es wurde die Möglichkeit in Erwägung gezogen, nur eine der vier Teilkompetenzen in der

Studie mit einer höheren Itemanzahl und dadurch detaillierter zu untersuchen. Um eine Ge-

samtanalyse mit allgemeingültigem Überblick der Erkenntnisse, Möglichkeiten und Grenzen

zu erlangen, wurden alle vier Teilkompetenzen der Methode analysiert. Durch die For-

schungsergebnisse wird eine spätere, begründete Analyse einzelner Teilkompetenzen er-

möglicht, die als ergänzende Studien folgen sollten. So werden Forschungsansätze in allen

Teilkompetenzen deutlich. Der Teilbereich Daten auswerten sollte in Folgeuntersuchungen

durch breitere Messwerte analysiert werden, um mögliche Deckeneffekte zu vermeiden.

144

7 Diskussion

7.3.4 Langzeiteffekt der Kompetenzentwicklung der Teilkompetenzen des Experimen-

tierens (Pretest-/Follow-Up-Vergleich)

Hypothese 1.3: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Versuchsgruppe ist in allen

vier Teilkompetenzen langfristig wirksam.

In den einzelnen Teilkompetenzen Methode spiegelt sich der bereits analysierte Effekt der

Langzeitwirkung wider, differenzierte Ergebnisse innerhalb der Teilbereiche werden aller-

dings auch dort deutlich.

In der Kompetenz Fragestellung formulieren kann in der Langzeitwirkung kein signifikant

positiver Effekt der Experimentierkompetenz bestätigt werden. Vom ersten (Pretest) zum

dritten (Follow-Up) Zeitpunkt verzeichnen beide Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppe)

eine Kompetenzzunahme (Versuchsgruppe + 1,05 Punkte; Vergleichsgruppe + 0,75 Punkte),

die bei den Probanden der Versuchsgruppe insgesamt leicht höher ausfällt. Allerdings wer-

den keine signifikanten Unterschiede in der Kompetenzentwicklung zwischen den Gruppen

deutlich (p = 0,39).

In der Teilkompetenz Hypothesen generieren wird ein leichter positiver Langzeiteffekt belegt.

Erreichen die Probanden zunächst einen starken Kompetenzzuwachs, fällt auch dieser zum

dritten Messzeitpunkt ab. Dennoch zeigen sich vom ersten zum dritten Messzeitpunkt positi-

ve Effekte durch signifikante Unterschiede. Demnach haben die Schülerinnen und Schüler

auch langfristig einen Kompetenzzuwachs in der Teilkompetenz Hypothesen generieren ge-

genüber den Probanden der Vergleichsgruppe verzeichnet, auch wenn dieser im Vergleich

zum zweiten Messzeitpunkt geringer ausfällt. Demgegenüber verzeichnen die Probanden

der Vergleichsgruppen zum dritten Messzeitpunkt keine Kompetenzsteigerungen, sondern

eine geringfügig und nicht signifikante Kompetenzabnahme um -0,04 Punkte, so dass die

Versuchsgruppe in der Teilkompetenz Hypothesen generieren einen insgesamt signifikant

positiven Effekt gegenüber der Vergleichsgruppe verzeichnet.

Ähnliche Befunde werden in der Teilkompetenz Planung eines Experiments deutlich. Ausge-

hend von vergleichbaren, nicht signifikant unterschiedlichen Ausgangsleistungen im Pretest

(p = 0,56), zeigen die Probanden der Versuchsgruppe eine Kompetenzzunahme um 0,96

Punkte im Mittel und die Schülerinnen und Schüler der Vergleichsgruppe eine leichte Kom-

petenzabnahme von -0,16 Punkten. Signifikante Unterschiede werden durch die Varianz-

analyse mit Messwiederholung zwischen den Gruppen belegt (p = 0,007), so dass positive

Effekte im Kompetenzerwerb für die Probanden der Versuchsgruppe deutlich werden.

In der Teilkompetenz Daten auswerten verzeichnen die Schülerinnen und Schüler der Ver-

suchsgruppe eine Kompetenzzunahme von 0,48 Punkten und die Probanden der Ver-

145

7 Diskussion

gleichsgruppe von 0,84 Punkten im Mittel und damit eine leicht, nicht signifikant höhere

Kompetenztsteigerung (Varianzanalyse mit Messwiederholung p = 0,33). Somit zeigen die

Probanden der Versuchsgruppe keine positiven Effekte in der Langzeitwirkung gegenüber

den Schülerinnen und Schülern der Vergleichsgruppe.

Eine differenzierte Entwicklung der Teilkompetenzen in der Langzeitwirkung wird deutlich,

bei der signifikante Unterschiede mit positiven Effekten für die Versuchsgruppe in den Teil-

kompetenzen b) Hypothesen generieren und c) Planung belegt werden. Im Kompetenzbe-

reich a) Fragestellung formulieren erreicht die Versuchsgruppe zwar höhere Kompetenzwer-

te, sie unterscheiden sich aber nicht signifikant von der Kompetenzentwicklung der Ver-

gleichsgruppe. In der Teilkompetenz d) Daten auswerten erreichen die Probanden der Ver-

gleichsgruppe eine leicht, nicht signifikant höhere Kompetenzentwicklung. Hypothese 1.3

kann somit nur teilweise bestätigt werden.

Diskussionsansätze werden besonders in den Teilbereichen a) Fragestellung formulieren

und d) Daten auswerten deutlich. Im Bereich d) Daten auswerten kommen auch in der Lang-

zeitwirkung die bereits diskutierten Aspekte des Deckeneffekts zum Tragen (s. Kap. 7.3.3).

Die Teilkompetenz a) Fragestellung formulieren zeichnet sich durch eine hohe Kompetenz-

abnahme zwischen den Messzeitpunkten 2 und 3 (-1,84 Punkte) aus. Erreichten die Proban-

den der Versuchsgruppe zum Messzeitpunkt 1 einen leicht höheren Kompetenzgrad in der

Teilkompetenz Fragestellung, so nimmt dieser zum Messzeitpunkt 3 deutlich ab. In diesem

Kontext werden in vergleichbaren Studien besondere Schwierigkeiten benannt. Demnach

spricht GRUBE (2010) von einem besonderen Erklärungsbedarf im Zusammenhang mit dem

Naturwissenschaftsverständnis. In der geographiedidaktischen Erkenntnisgewinnung wird

der Fragestellung eine besondere Bedeutung zugemessen, da von (humangeographischen)

Phänomenen (Kontextbezug) ausgehend, „ein spezifisches inhaltlich-thematisches Spek-

trum“ (OTTO ET AL. 2010, S. 143) vorliegt. Der Erklärungsbedarf scheint im geographiedidak-

tischen Experiment an Bedeutung zu gewinnen, da insbesondere in der Langzeitwirkung ein

geringer Kompetenzerwerb zu verzeichnen ist. Die besondere Schwierigkeit, naturwissen-

schaftliche Fragestellungen von anderen Fragen zu differenzieren, um einen Kontextbezug

zu schaffen, wird hinsichtlich einer langfristigen Kompetenzentwicklung deutlich.

Zugleich zeigt die methodische Intervention positive Langzeiteffekte in der Teilkompetenz c)

Planung eines Experiments. HAMMANN ET AL. (2007a) und GRUBE (2010) belegen Schwierig-

keiten im Bereich der Teilkompetenz Planung. Diese werden in der vorliegenden Normie-

rungsstudie (s. Abb. 19) bestätigt. HAMMANN ET AL. (2007a) gehen davon aus, dass insbe-

sondere methodisches Wissen für diesen Teilbereich des Experimentes notwendig sei. Die

durchgeführte Intervention fokussierte in der Vergleichsgruppe den methodischen Kompe-

tenzerwerb. Diese scheint nicht nur zu positiven Effekten im Pre-/Postvergleich, sondern

146

7 Diskussion

auch in der Langzeitwirkung zu führen. Demnach könnte die Annahme, dass die Teilkompe-

tenz Planung eines Experiments primär auf methodischem Wissen beruhe (HAMMANN ET AL.

2007a, S. 45), bestätigt werden.

Die Annahme, dass die Teilkompetenz b) Hypothesen generieren insbesondere durch fachli-

ches Wissen erworben wird (HAMMANN ET AL. 2007a, S. 45; EHMER 2008, S. 132), konnte im

Pre-/Postvergleich nicht belegt werden, da die Probanden der Versuchsgruppe signifikant

höhere Kompetenzentwicklungen verzeichnet haben. Dieser Befund wird durch den Pre-/

Follow-Up-Vergleich gestärkt. Auch langfristig verzeichnen die Probanden der Versuchs-

gruppe signifikant höhere Kompetenzen als die Schülerinnen und Schüler der Vergleichs-

gruppe.

Im Pre-, Post- und Follow-Up-Vergleich der Experimentierkompetenzen (Versuchs- und Ver-

gleichsgruppe) erfolgt der Verlauf der Kompetenzentwicklung vom Pretest zum Posttest so-

wie vom Postest zur Follow-Up-Erhebung linear aufgrund von statistischen Datensätzen und

Darstellungsverfahren (s. Kap. 6.3.1 bis 6.3.4). Ob dieser Verlauf der Kompetenzentwicklun-

gen im vorliegenden Messzeitraum (T1 bis T3) den linearen Darstellungen entspricht, bleibt

an dieser Stelle offen.

7.3.5 Effekt der Lernausgangslage auf den Lernzuwachs (Versuchsgruppe)

Die Diskussion um die Benachteiligung leistungsschwächerer Schülerinnen und Schüler, die

durch AUSUBEL (1968, 1974) entfacht und von weiteren Autoren gestärkt wurde (SWELLER

1988, 2004; HELLER, HANY 1996; NEBER 1996; SWANSON 1999), steht nun zur Prüfung.

Fragestellung 2: Hat die Lernausgangslage auf die Förderung der Teilkompetenzen des Ex-

perimentierens einen Effekt?

Hypothese 2: Beim problemlösenden Lernen mit der Methode des Experimentierens (Ver-

suchsgruppe) zeigen leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler gegenüber leistungs-

schwächeren eine erhöhte Kompetenzentwicklung (positive Effekte).

Die Korrelationsuntersuchungen (Kendall Tau b) zeigen Werte im mittleren bis starken Be-

reich. Das negative Vorzeichen verdeutlicht, dass Zusammenhänge zwischen Schülerinnen

und Schülern bestehen, die einen geringeren Kompetenzstand im Pretest erreichten und

einen höheren im Posttest bzw. in der Follow-Up-Erhebung. Demnach erreichten leistungs-

schwächere Lernende in allen vier Teilkompetenzen sowohl vom ersten zum zweiten Mess-

zeitpunkt als auch vom ersten zum dritten Messzeitpunkt signifikant höhere Kompetenzzu-

nahmen. Hypothese 2 wird somit widerlegt.

147

7 Diskussion

Ein möglicher Deckeneffekt wird an dieser Stelle deutlich, der Erklärungsoptionen für die

geringere Kompetenzsteigerung der leistungsstärkeren Schülerinnen und Schüler bietet.

Allerdings ist die alleinige Erklärung durch Deckeneffekte hier zu schwach, da die Korrelatio-

nen deutliche Signifikanzen aufzeigen (mittlere bis starke Zusammenhänge), so dass trotz

der Berücksichtigung eines Deckeneffekts davon ausgegangen werden kann, dass die lei-

stungsschwächeren Lernenden einen höheren Lernerfolg verzeichnet haben. Auch in der

Interventionsstudie von HOF (2011) erreichen leistungsstärkere Lernende durch forschendes

Lernen keine höheren Kompetenzsteigerungen gegenüber leistungsschwächeren. Die unter-

schiedlichen Quellen (AUSUBEL 1968, 1974; HELLER, HANY 1996; NEBER 1996; SWANSON

1999), die für leistungsschwächere Lernende eine höhere Lenkung und Anleitung fordern,

können an dieser Stelle allerdings nicht gänzlich entkräftet werden. Vielmehr wurde die In-

tervention gemäß den Forderungen konzipiert, die Schülerinnen und Schüler vom angeleite-

ten zum offenen Experimentieren zu fördern. Demnach war insbesondere der Beginn der

Unterrichtseinheit durch Anleitung und Vorgabe charakterisiert. Somit wurde den leistungs-

schwächeren Lernenden durch die schrittweise Öffnung der Methode zu Beginn ausreichend

Lenkung geboten, die den konzeptionellen Methodenerwerb ermöglichte. In der Cognitive

Load Theory benennt SWELLER (1988, 2004) die Überforderung der Lernenden durch pro-

blemlösende, offene Unterrichtsformen. Die Überforderung des Kurzzeitgedächtnisses durch

den hohen Verarbeitungsbedarf der Problemlösung führt gerade bei leistungsschwächeren

Schülerinnen und Schülern zu einem verminderten Lernerfolg (Fachwissen). In der vorlie-

genden Studie wurde hingegen der methodische Erkenntnisgewinn hinterfragt (definiert an-

hand von vier Teildisziplinen des Experimentierens). Entsprechend den Forderungen, die

Lernenden in ihrer Problemlösefähigkeit zu fördern, scheint der Ansatz des problemlösenden

Lernens insbesondere bei leistungsschwächeren Lernenden zu hohen Erfolgen zu führen.

Als Bilanz kann die Effektivität des methodischen Kompetenzerwerbs besonders bei schwä-

cheren Schülerinnen und Schülern aufgezeigt werden. Im Umkehrschluss könnte davon

ausgegangen werden, dass leistungsschwächere Lernende Vorteile beim Kompetenzerwerb

durch den problemlösenden Unterrichtsansatz zu erwarten haben. Ein möglicher Erklä-

rungsansatz zu SWELLERs Cognitive Load Theory (1988, 2004) könnte darin liegen, dass,

wie bereits bei HOF (2011) vermutet, der Zuwachs des Fachwissens primär bei Leistungs-

schwächeren vermindert wird. Ein verringerter methodischer Erkenntnisgewinn kann in der

vorliegenden Studie jedoch nicht belegt werden.

148

7 Diskussion

7.3.6 Entwicklung des Fachwissens

Ausgehend von AUSUBELs (1968, 1974) und KIRSCHNERs ET AL. (2006) Kritiken hinsichtlich

der Vernachlässigung der Wissensinhalte zugunsten der Methodenkompetenz wurde die

dritte Forschungsfrage bezüglich des Aspekts der Wissensinhalte formuliert.

Fragestellung 3: Kann mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens neben dem methodi-

schen Erkenntnisgewinn das Fachwissen gefördert werden?

Hypothese 3: Problemlösendes Lernen mit der Methode des Experimentierens (Versuchs-

gruppe) zeigt positive Effekte beim Zuwachs des Fachwissens.

Die Ergebnisse des Pre-/Postvergleichs zeigen keine signifikanten Unterschiede in der Ent-

wicklung des Fachwissens zwischen den Gruppen (Versuchs- und Vergleichsgruppen). Die

Versuchsgruppe verzeichnet einen Wissenszuwachs von 1,75 Punkten im Mittel und die

Vergleichsgruppe um 2,05 Punkte, so dass die Vergleichsgruppe einen nicht signifikant hö-

heren Wissenszuwachs um 0,3 Punkte (p = 0,35) verzeichnet. Im Vergleich Pretest zu Fol-

low-Up-Erhebung fällt die Differenz mit 0,05 Punkten für die Vergleichsgruppe noch geringer

aus (p = 0,87). Hypothese 3 wird widerlegt.

Die Widerlegung der Vermutung, dass die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe

einen höheren Kompetenzzuwachs erreichen, wie es die vergleichbare Studie von HOF

(2011) belegt, kann hier nicht bestätigt werden. Dennoch können die Befürchtungen der Kri-

tiker (AUSUBEL 1968, 1974; KIRSCHNER ET AL. 2006), die von einem verminderten Wissens-

zuwachs durch entdeckende, problemorientierte Ansätze ausgehen, entkräftet werden. Die

Versuchsgruppen erzielten in identischen zeitlichen Dimensionen einen nahezu gleichen

Fachwissenszuwachs, begleitet von einem signifikant höheren Kompetenzzuwachs in der

Experimentiermethode. Demnach erlangten die Probanden der Versuchsgruppe zwar keinen

höheren Fachwissenszuwachs, jedoch auch keinen signifikant niedrigeren Lernzuwachs, so

dass hinsichtlich des Gesamtkonzepts (Fachwissen und Experimentierkompetenz) höhere

Leistungsentwicklungen bei gleicher zeitlicher Durchführung zu verzeichnen sind. Anzumer-

ken ist jedoch, dass nicht der gesamte potenzielle fachliche Rahmen der Interventionseinheit

im Fachwissenstest erhoben werden konnte. Eine Erweiterung des Fachwissenstests konnte

aufgrund der jungen Teilnehmer im Hinblick auf die Beantwortungsdauer des Leistungstests

(gemessen in der Pilotierungsstudie) nicht erfolgen. Hier werden zukünftige Forschungsop-

tionen aufgezeigt, die eine Intensivierung des Fachwissenstests fokussieren könnten. Durch

die Ergebnisse der vorliegenden Studie können Vorteile des problemorientierten Ansatzes

gegenüber traditionellen Verfahren hinsichtlich des Fachwissenszuwachses jedoch nicht

belegt werden.

149

7 Diskussion

7.3.7 Ergänzende Analyse: Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwis-

sen (Versuchsgruppe)

Der Zusammenhang zwischen Selbsteinschätzung und Vorwissen, getestet anhand der Va-

riablen Selbsteinschätzung und Vorwissenstest, wurde zunächst durch eine Kreuztabelle

dargestellt und anhand der Korrelation Kendall Tau b getestet. Die Ergebnisse des Pretests

verdeutlichen keinen Zusammenhang zwischen Vorwissen und Selbsteinschätzung (Kendall

Tau b = -0,05; p = 0,54). Die Einschätzung der Probanden der Versuchsgruppe lag verstärkt

im guten (N = 65 von 105 Probanden) oder mittelmäßigen (N = 31 von 105 Probanden) Be-

reich bei gleichzeitig breitgefächertem Vorwissen zwischen 0 und 2 Punkten (0 Punkte 32,4

%; 1 Punkt 35,2 %; 2 Punkte 28,6 %) und sehr geringer Spitzengruppe (3 Punkte 3,8 %). Die

Ergebnisse lassen, entsprechend den Befunden der Normierungsstudie, auf fehlende me-

thodische Kenntnisse schließen (siehe Kap. 7.1.4). Im Postest erreichen 66 % der Schüle-

rinnen und Schüler ein sehr gutes Vorwissen mit 3 von 3 möglichen Punkten (vgl. Pretest 3,8

%). Weiterhin schätzt die Mehrzahl der Probanden ihre Kenntnisse gut (N = 58) oder mittel-

mäßig (N = 34) ein. Ein Zusammenhang der Variablen liegen nach Kendall Tau b 0,00 nicht

vor (p = 0,99). Methodische Kenntnisse werden bei gleichzeitig geringerer Selbsteinschät-

zung belegt.

Die Selbsteinschätzung der Lernenden änderte sich kaum vom ersten zum zweiten Mess-

zeitpunkt. Die Werte liegen jeweils primär im guten Selbsteinschätzungsbereich und sekun-

där im Bereich der mittelmäßigen Kategorie. Zugleich wird eine Änderung der Methoden-

kenntnisse von geringeren Kenntnissen (Pretest: 0 bis 2 Punkte) zu hohen Kenntnissen

(Posttest: 3 Punkte) belegt. Als Fazit wird aufgezeigt, dass durch das problemlösende Ler-

nen ein methodischer Kenntniszuwachs nachgewiesen wird, der die Selbsteinschätzung der

Lernenden nicht maßgeblich beeinflusst. Hier muss allerdings das Problem der Ratingskala

diskutiert werden. Die fünfstufige Likert-Skala wurde gewählt, um die Reliabilität zu erhöhen.

Der Nachteil liegt in verschiedenen Aspekten, die hier nicht ausgeschlossen werden können.

So bleibt an dieser Stelle unklar, ob es Unterschiede in der subjektiven Abstufung der Be-

deutungen (z. B. gut und mittelmäßig) gab. Weiterhin kann die Nutzung der mittleren Katego-

rie (mittelmäßig) darauf hinweisen, dass die Probanden die Beantwortung verweigert haben

(BÜHNER 2010, S. 115 f.). Diese Nachteile können auch in der vorliegenden Studie nicht

ausgeschlossen werden. Allerdings wurde primär die zweite Abstufung (gut) gewählt, so

dass die Tendenz zu Extremwerten bzw. mittleren Urteilen nicht nachgewiesen werden

konnte. Die Möglichkeit der fehlerhaften Beantwortung wurde bedacht, jedoch für unwahr-

scheinlich eingestuft.

150

7 Diskussion

Als Erklärungsoption der Pretestergebnisse werden die bereits in der Normierungsstudie

diskutierten Möglichkeiten der fehlerhaften Methodenvorstellung herangezogen. Im Pretest

kann auf die fehlerhafte Methodenvorstellung der Lehrkräfte (GÜNTHER 2006) verwiesen

werden, die in der Geographie durch Darstellung einfacher Beobachtungs- bzw. Untersu-

chungsverfahren im Kontext der Experimentiermethode in Geographieschulbüchern

(LETHMATE 2003, S. 42) verstärkt wird (s. Kap. 7.1.4). Erstaunlich ist, dass keine subjektive

Steigerung des methodischen Könnens zum Posttest resultierte. Eine mögliche Erklärung

liegt in der komplexen Methode, charakterisiert durch die vier Teilkompetenzen sowie die

Kriterien eines Experimentes. Die methodische Fehlvorstellung wurde mit dem komplexen

Vorgehen eines geographischen Experimentes in Konflikt gesetzt. Hinsichtlich der Ergebnis-

se der Hypothese (1) sowie der Steigerung im Vorwissenstest wird davon ausgegangen,

dass ein Konzeptwechsel der Fehlvorstellungen zu Fachvorstellungen erfolgt ist. Da Fach-

konzepte ein deutlich höheres Anspruchsniveau bezüglich des methodischen Vorgehens

implizieren als Beobachtungs- oder Untersuchungsverfahren, steigerten die Lernenden auf-

grund der neuen komplexen Erkenntnisse über die Methode ihre Selbsteinschätzung nicht.

Ob diese Erklärung zur Diskussion der Ergebnisse ausreicht, bleibt offen.

7.3.8 Ergänzende Analyse: Effekte des Kompetenzzuwachses im Vergleich der Teil-

kompetenzen (Versuchsgruppe)

Der Kompetenzzuwachs der Versuchsgruppe vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt sowie

vom ersten zum dritten Messzeitpunkt (N = 79) wurde durch eine Varianzanalyse mit paar-

weisen Vergleichen auf signifikante Unterschiede zwischen einzelnen Teilkompetenzen un-

tersucht. Die gebildeten Differenzvariablen, die den individuellen Zuwachs ausdrücken (T2

minus T1 bzw. T3 minus T1), wurden mit einer ANOVA mit Messwiederholung mit anschlie-

ßenden paarweisen Vergleichen (LSD-Test) getestet.

Im Kompetenzzuwachs von T1 zu T2 wurde ein Lernzuwachs in der Reihenfolge Daten aus-

werten → Planung eines Experiments → Hypothesen generieren → Fragestellung formulie-

ren belegt. Somit wird der geringste Zuwachs im Bereich Daten auswerten und der höchste

in der Teilkompetenz Fragestellung formulieren festgestellt. Dabei unterscheidet sich die

Teilkompetenz Daten auswerten signifikant zu den anderen drei Teilkompetenzen (jeweils p

< 0,001). Zwischen den verbleibenden werden keine signifikanten Unterschiede deutlich, so

dass die Reihenfolge nur im ersten Teilbereich (Daten auswerten) Relevanzen aufzeigt. In

der Studie von HOF (2011) werden ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den

Teilkompetenzen Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren und Planung eines Ex-

periments deutlich. Der niedrige Kompetenzzuwachs der Teilkompetenz Daten auswerten

151

7 Diskussion

wurde in der vorliegenden Studie bereits diskutiert und auch bei GRUBE (2010) im Längs-

schnitt belegt (s. Kap. 7.1.1 und 7.3.3).

Vom Messzeitpunkt T1 zu T3 wurde ein Lernzuwachs in der Reihenfolge Daten auswerten

→ Fragestellung formulieren → Hypothesen generieren → Planung eines Experiments ohne

signifikante Relevanz zwischen den einzelnen Teilkompetenzen ermittelt, so dass von wei-

testgehend gleichen Langzeitwirkungen innerhalb der Teilkompetenzen ausgegangen wird,

bei denen die Teilkompetenz Planung eines Experiments und Hypothesen generieren leicht

höhere (nicht signifikante) Kompetenzentwicklungen verzeichnet. GRUBE (2010) weist den

Teilkompetenzen Fragestellung formulieren und Planung eines Experiments den niedrigsten

Kompetenzzuwachs in einer Längsschnittanalyse zu und benennt die hohe methodische

Anforderung der Teilkompetenzen als Ursache. In der vorliegenden Studie wurde hingegen

eine Intervention durchgeführt, die gezielt die Förderung dieser Anforderungen fokussierte.

Ausgehend von nicht signifikanten Unterschieden zwischen den Teilkompetenzen in der

Langzeitwirkung, kann als Fazit benannt werden, dass durch die Intervention ein gleichwerti-

ger Kompetenzzuwachs in allen Bereichen erfolgte und die methodischen Anforderungen

und Schwierigkeiten der Teilkompetenzen Fragestellung formulieren (naturwissenschaftlich

überprüfbar) und Planung eines Experiments (Variablen und Kontrollansatz) entsprechend

berücksichtigt und gefördert werden konnten.

Da durch den Leistungstest nicht alle Facetten der Experimentierkompetenz erhoben werden

konnten und dementsprechend blinde Flecke die Erkenntnisse überdecken können, wurde

eine praktische Experimentieruntersuchung der Interventionsstudie angeschlossen. Ziel war

eine detaillierte Analyse der Teilkompetenzen durch offenes Experimentieren zur Evaluie-

rung der vierten und fünften Forschungsfragen.

7.4 Evaluationsstudie – Triangulation zum offenen Experimentieren

Die Evaluationsstudie erfolgte durch eine praktische Aufgabe im offenen Experimentierpro-

zess. Die Probanden experimentierten zum Phänomen ‚Salzgehalt der Ostsee‘ und protokol-

lierten das Vorgehen. Die Auswertung der Protokolle ist Evaluierungsgrundlage der For-

schungsfragen 4 und 5, in denen das Experimentierniveau der Probanden sowie spezifische

Problemfelder der Methode hinterfragt werden. Weiterhin werden durch die Triangulation

sogenannte blinde Flecke kompensiert (FLICK 2011a, S. 84). Die Effektivität der Intervention

durch den Ansatz des problemlösenden Lernens und der Methode des Experimentierens

kann vertiefend analysiert und evaluiert werden, so dass die Möglichkeit ergänzender

152

7 Diskussion

Schlussfolgerungen bestehen. Vor den Evaluierungen der vierten und fünften Forschungs-

fragen erfolgt die Diskussion der Inter-Coder-Reliabilität.

7.4.1 Inter-Coder-Reliabilität

Die Kategorien (Codes) wurden im Vorfeld anhand eines Kompetenzstufungsmodells defi-

niert, das orientiert am Kompetenzstufungsmodell nach HAMMANN (2004) der vorliegenden

Konzeption angepasst wurde. 16 Codes wurden unterschieden, die auf vier Teilkompetenzen

(Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren, Planung eines Experiments, Daten aus-

werten) in Anlehnung an MAYER, GRUBE und MÖLLER (2009) und vier Stufungen (Stufe 1 bis

4), orientiert an HAMMANN (2004) basieren. Auf Grundlage dieses Modells codierten zwei

unabhängige Personen die Textpassagen der Protokolle mit dem Ziel der Zuordnung und

Einstufung der vier Teilkompetenzen in das Kompetenzstufungsmodell. Der Reliabilitätstest

fungierte zur Überprüfung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Codierungen. Ab 90%

wurde die Reliabilität als sehr gut eingestuft und ab 80% als gut (NEUENDORF 2002, S. 143).

Als Resultat können die Einstufungen in die folgenden Stufungen als sehr gut bezeichnet

werden: Fragestellung formulieren Stufe 1, 2 und 4; Hypothesen generieren Stufe 1, 2, 3 und

4; Planung eines Experiments Stufe 1, 2, 3 und 4; Daten auswerten Stufe 3 und 4 (0,92 – 1

rH). Im guten Reliabilitätsbereich liegen die Einstufungen der Auswertungsstufen 1 und 2

(0,80 und 0,82 rH). Eine Gesamtreliabilität von 0,91 rH konnte belegt werden, die als sehr gut

zu bezeichnen ist. Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Codierung wurde bestätigt, so

dass weitere Analysen folgen konnten. Eine Ausnahme stellte dabei die Reliabilität der Fra-

gestellung Stufe 3 dar, die als gering kategorisiert (0,50 rH) wurde. Die geringe Reliabilität der

Codierung kann zum einen auf die geringe Codieranzahl (Stufe 3 Fragestellung Gesamtco-

dierungen 4) zurückgeführt werden, zum anderen müssen Problemaspekte der Einstufungs-

kategorien berücksichtigt werden. Die Kompetenzstufen der Teilkompetenz Fragestellung

formulieren wurden selbstständig entwickelt, da HAMMANN (2004) drei Kompetenzbereiche

(Hypothesen generieren, Planung eines Experiments, Daten auswerten) beschreibt und die

Teilkompetenz Fragestellung formulieren bisher nicht anhand eines adäquaten Stufungsmo-

dells definiert wurde. Zur Diskussion der Kategorien werden im Folgenden die Stufen 3 und 4

herangezogen.

Die Stufe 3 der Teilkompetenz Fragestellung wurde definiert als Frage, die im Zusammen-

hang mit dem Phänomen oder Problem steht, aber nicht überprüfbar ist. Stufe 4 unterlag den

Kriterien einer adäquat formulierten Frage, die im Zusammenhang mit dem Phänomen oder

Problem steht und überprüfbar ist. Im Kontext der praktischen Experimentieraufgabe erfolg-

ten die folgenden Formulierungen, die als Ausnahme nicht zur Übereinstimmung im Inter-

Coder-Verfahren führten.

153

7 Diskussion

D20-F Vermischen sich die besonders hohen Salzgehalte und der sehr niedrige Salzgehalt?

D22-F Wie kann das sein, dass in einem Meer an verschiedenen Stellen unterschiedlich viel

Salzgehalt ist?

Beide Fragestellungen wurden von einem Codierer der Stufe 4 zugeordnet und von dem

zweiten der Stufe 3. Die Fragestellungen weisen inhaltliche Formulierungsaspekte auf, die

die unterschiedlichen Einstufungen bedingt haben können. Der Salzgehalt wird in beiden

Fragen benannt. In dem Kontext fehlt jedoch der Begriff ‚Wasser’ bzw. ‚Ostsee’ o. ä.. Den-

noch sind beide Fragen weitestgehend adäquat formuliert und ermöglichen eine Überprüfung

des Phänomens, so dass die Kriterien der Kompetenzstufe 4 erfüllt sind. In Anlehnung an

den Erstcodierer erfolgt die Einstufung in das Kompetenzniveau 4.

Kontroversen in der Kompetenzeinstufung werden deutlich, die in zu weitgefassten Definitio-

nen der Kompetenzstufen begründet sein könnten. Trotz der Problematik in der Teilkompe-

tenz Fragestellung formulieren kam es zu einer insgesamt hohen Reliabilität der Codierun-

gen, so dass die Diskussion des offenen Experimentierens anhand der Forschungsfragen 4

und 5 anschließen kann.

7.4.2 Offenes Experimentieren und Kompetenzstufenniveau 4

Die Analyse der Effektivität des offenen Experimentierprozesses beruht auf Kompetenzstu-

fen in den vier Teilkompetenzen. Diese steigen im Niveau von Stufe 1 zu Stufe 4 und errei-

chen dort ein logisches, adäquates und systematisches Niveau. In der vierten Forschungs-

frage wurde das zu erreichende Niveau im offenen Experimentierprozess nach erfolgter In-

tervention hinterfragt.

Fragestellung 4: Welche Kompetenzstufen werden durch offenes Experimentieren (Ver-

suchsgruppe Teil II) erreicht?

Hypothese 4: Die Mehrzahl der Probanden erreicht in den Teilkompetenzen ein logisches,

adäquates und systematisches Niveau (Stufe 4).

In der Teilkompetenz Fragestellung formulieren wurden 28 von N = 30 Protokollausschnitten

einem Niveau Stufe 4 zugeordnet. In der Teilkompetenz Hypothesen generieren erreichen

20 Gruppen ein systematisches Niveau, im Bereich Planung eines Experiments 13 und im

Bereich Daten auswerten 10. Im offenen Experimentierprozess erreichen die Probanden ein

unterschiedliches Niveau mit steigender Entwicklung in der Aufeinanderfolge Daten auswer-

ten → Planung eines Experiments → Hypothesen generieren → Fragestellung formulieren.

Hypothese 4 kann nur teilweise bestätigt werden, d. h. in den Teilkompetenzen Fragestel-

lung formulieren und Hypothesen generieren erreicht die Mehrzahl der Probanden (Frage-

154

7 Diskussion

stellung formulieren 93%; Hypothesen generieren 67%) ein Niveau der Stufe 4, in den Kom-

petenzbereichen Planung eines Experiments und Daten auswerten hingegen nicht (Planung

eines Experiments 43%; Daten auswerten 33%).

Diese Reihenfolge entspricht den in der Interventionsstudie erhobenen Effekten des Kompe-

tenzzuwachses im Vergleich der Teilkompetenzen T1 zu T2 (s. Kap. 7.3.8). Die Posttester-

hebung (T2) folgte unmittelbar nach der offenen Experimentieraufgabe, so dass die Teiler-

gebnisse der quantitativen Interventionsstudie durch die Ergebnisse der Evaluationsstudie

bestätigt werden können.

In der Teilkompetenz Fragestellung formulieren erreichen 93% der Gruppen das höchste

Kompetenzniveau. Vergleichende Ergebnisse aus Interventions- oder Evaluationsstudien

liegen nicht vor, so dass diese zur Erklärung nicht herangezogen werden können. In der

Teilkompetenz Fragstellung erreichen die Probanden kurzzeitig ein hohes Niveau, das zum

einen in der Interventionsstudie belegt werden konnte (s. Kap. 7.3.8) und zum anderen im

Kontext des offenen Experimentierens (Evaluationsstudie) deutlich wird. Dennoch belegt

GRUBE (2010) in ihrer Studie die besondere Schwierigkeit der Teilkompetenz Fragestellung,

so dass hier ein möglicher Deckeneffekt berücksichtigt werden muss. Die im Kompetenzent-

wicklungsmodell definierten Stufungen wurden zuvor nicht empirisch überprüft, sondern für

die vorliegende Studie formuliert. Die Kompetenzstufen beginnen mit dem höchsten Niveau,

das durch eine logische Formulierung gekennzeichnet ist (Frage wird adäquat formuliert;

Frage steht im Zusammenhang mit dem Phänomen oder Problem; Frage ist überprüfbar)

und erreichen eine Abstufung bis hin zum niedrigsten Niveau Stufe 1 (Fragestellung wird

nicht formuliert) (s. Kap. 4.5.3). Der im Vergleich der vier Teilkompetenzen sehr hohe Ni-

veaubereich der Teilkompetenz Fragestellung formulieren (93% Stufe 4) wirft im Rück-

schluss Fragen über die Effektivität der definierten Stufungen auf. Demnach könnte die Defi-

nition von MÖNTER und HOF (2012) eine detaillierte Abstufung ermöglichen, die zur Zeit der

Konzeption noch nicht vorlag. Dabei werden enger und weiter gefasste Fragestellungen dif-

ferenziert. Im Kontext des geographischen Experimentierens wird die engere Frage empfoh-

len, die inhaltlich zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen unterscheidet und wei-

terhin die methodische Umsetzbarkeit beinhaltet (MÖNTER, HOF 2012, S. 298). Ein höheres

Kompetenzniveau mit genaueren Abstufungen könnte erreicht werden, um das Kompetenz-

niveau der Fragestellung detaillierter analysieren und parallel mögliche Deckeneffekte ver-

ringern zu können. Die in der vorliegenden Evaluationsstudie formulierten Fragestellungen

deuten stellenweise die durch MÖNTER und HOF (2012) definierten Kriterien an (C14-F „Ist

Salzwasser schwerer als Süßwasser?“), sind aber oftmals durch eher weit gefasste Inhalte

charakterisiert (z. B. C16-F „Vermischen sich Salz- und Süßwasser nicht?“). Dennoch kann

festgehalten werden, dass die Probanden nach der Intervention fähig waren, Fragestellun-

155

7 Diskussion

gen zu formulieren, die zwar eher einen weit gefassten Kontext implizieren, dennoch ein sy-

stematisches naturwissenschaftliches Vorgehen ermöglichten, wonach 67% der Gruppen in

der Teilkompetenz Hypothesen ein Niveau der Stufe 4 erreichten.

Somit stellte die Teilkompetenz Hypothesen generieren die Probanden auch im offenen Ex-

perimentierprozess vor geringere Probleme. Dies wird durch die Ergebnisse der vorgestell-

ten Interventionsstudie im Vergleich der Teilkompetenz bestätigt, in denen zum zweiten

Messzeitpunkt im Bereich Hypothesen generieren ebenfalls deutliche Kompetenzentwicklun-

gen durch die methodische Intervention belegt werden konnten. Auch GRUBE (2010) zeigt

diese Tendenz in einer Längsschnittanalyse über ein Schuljahr in der Gesamtstichprobe.

In der Teilkompetenz Planung eines Experiments erreichen 43% der Gruppen ein Niveau der

Stufe 4, so dass nach der Intervention weniger als die Hälfte der Probanden ein hohes sy-

stematisches Niveau im Umgang mit Variablen erreicht haben. GRUBE (2010) führt die hohe

methodische Anforderung der Teilkompetenz Planung als Ursache der niedrigeren Kompe-

tenzentwicklung auf. CHEN und KLAHR (1999) belegen unter direkter Instruktion bei Proban-

den im Grundschulalter einen systematischen Umgang mit Variablen. Die offene Lernsituati-

on der Sequenz 10 war hingegen durch ein hohes Maß an Offenheit unter Verzicht von di-

rekter Instruktion gekennzeichnet. Der systematische Umgang mit Variablen in offenen Lern-

situationen erfordert demnach höhere kognitive Leistungen, die auch Probanden der Jahr-

gangsstufe 6 vor Schwierigkeiten stellen. Zugleich lagen nur 3 von N = 30 Probanden unter-

halb der Stufe 3, so dass zwar Probleme im Umgang mit Variablen identifiziert wurden, diese

jedoch auf einem hohen Niveau vorlagen. Somit stellt der Teilbereich die Probanden vor

Schwierigkeiten. Dennoch kann ein Kompetenzniveau erhoben werden, das primär in den

Stufen 3 oder 4 liegt. Die Stufen wurden dadurch unterschieden, dass in Stufe 4 eine erfolg-

reiche Planung des Kontrollansatzes vorlag und in Stufe 3 dieser fehlte. Ein erster Problem-

bereich der Teilkompetenz Planung ist damit identifiziert (= Kontrollansatz).

Zur Diskussion der Teilkompetenz Daten auswerten werden die Ergebnisse von SADEH und

ZION (2012) betrachtet. In angeleiteten und offenen Situationen wurde das forschende Ler-

nen untersucht. Dabei wurden als signifikante Ergebnisse zwischen zwei Gruppen (angelei-

tete und offene Projekte) belegt, dass die in offenen Lernumgebungen unterrichteten Schüle-

rinnen und Schüler mehr Zeit in der konzeptionellen (Auswahl treffen, Fragestellung formulie-

ren, Planung) sowie praktischen Phase (Durchführung des Experimentes) verwendeten, was

zugleich Erklärungsoptionen für die höheren Kompetenzeinstufungen in den Teilkompeten-

zen Fragestellung formulieren, Hypothesen generieren und Planung eines Experiments der

vorliegenden Studie bieten kann. Die angeleitet Lernenden empfanden hingegen den zeitli-

chen Aufwand zur finalen Dokumentation und Auswertung intensiver (p < 0,001). Diese Er-

gebnisse können Erklärungsmöglichkeiten für die niedrigere Kompetenzeinstufung in der

156

7 Diskussion

Teilkompetenz Daten auswerten bieten. Auch wenn die Intervention der Versuchsgruppe

vom angeleiteten zum offenen Experimentieren konzipiert wurde, bestand am Ende der In-

tervention insbesondere in Sequenz 10 ein möglichst offenes Vorgehen ohne weitere me-

thodische Vorgaben. Investierten die Probanden in der konzeptionellen und praktischen

Phase höhere Zeitressourcen, so verwendeten sie in der finalen Auswertung einen geringe-

ren Zeitumfang. Ein mögliches Zeitproblem der offenen Lernsituation kann an dieser Stelle

ausgeschlossen werden, da eine Erprobung der Einheit im Vorfeld erfolgte und auch wäh-

rend der Durchführung (Sequenz 10) keine Zeitprobleme registriert wurden. Basierend auf

den Ergebnissen der vorliegenden Studie, gestützt durch die Befunde von SADEH und ZION

(2012), wird die Erklärung formuliert, dass die Probanden im offenen Experimentierprozess

mehr Zeit auf die konzeptionellen und praktischen Phasen (Fragestellung formulieren bis

Planung eines Experiments) legten und der finalen Auswertung weniger Zeit und Bedeutung

und dadurch Inhalt zumaßen. Weiterhin muss der Aspekt der Schwierigkeit berücksichtigt

werden. Die Teilkompetenz Daten auswerten ist einerseits durch die Methode der Beobach-

tung gekennzeichnet (Durchführung und anschließende Formulierung der Beobachtungen)

und zum anderen durch die Transferierung auf das Raumbeispiel. Dies scheint, gekoppelt

mit einem geringeren Zeitaufwand, besonders schwierigkeitsbasiert zu sein und höhere ko-

gnitive Leistungen zu bedeuten.

7.4.2 Offenes Experimentieren und Problembereiche

Fragestellung 5: Lassen sich durch die offene Lernumgebung spezifische Schwierigkeiten

bei den einzelnen Teilkompetenzen des Experimentierens (Versuchsgruppe Teil II) identifi-

zieren?

Hypothese 5: In allen vier Teilkompetenzen des Experimentierens können spezifische Defizi-

te identifiziert werden.

In der Teilkompetenz Fragestellung formulieren besteht an dieser Stelle Forschungsbedarf

bei der deutlicheren Abstufung der Niveaubereiche (s. Kap. 7.4.1). Mögliche Ansatzpunkte

dafür bietet die Definition von MÖNTER und HOF (2012). Demnach können enger gefasste

geographische Fragestellungen detaillierte Stufungen ermöglichen, die im höchsten Niveau

zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen unterscheiden und die methodische Um-

setzbarkeit bzw. Reflexion aufgreifen (MÖNTER, HOF 2012, S. 298). Dadurch kann zudem an

ein Defizit der zweiten Teilkompetenz angeschlossen werden.

Die fehlende Begründung der Hypothesen, die eine auf die Hypothesen bezogene abschlie-

ßende Hypothesenrevision bzw. -bestätigung erschwert, könnte durch eine bereits begrün-

dete Fragestellung vermieden werden. Enthält die Frage inhaltliche Aspekte der abhängigen

157

7 Diskussion

und unabhängigen Variablen sowie der methodischen Umsetzbarkeit, sollten diese in den

Hypothesen aufgegriffen und in der Planungs- und Durchführungsphase berücksichtigt wer-

den. Dadurch kann eine exakte Hypothesenrevision oder -bestätigung auf Grundlage der

Daten sowie des Vorgehens erfolgen. Der zweite Problembereich umfasst die fehlende

Hypothesenrevision bzw. Bestätigung der Hypothesen, die oftmals gänzlich fehlte. Das Pro-

blem der Vermeidung von Hypothesenformulierungen (HAMMANN 2004, S. 199 f.) konnte im

offenen Experimentierprozess nicht bestätigt werden, allerdings wird eine Vermeidung der

Hypothesenrevision oder Hypothesenbestätigung deutlich. Gerade der Revision spricht

HAMMANN (2009) im Umgang mit Hypothesen eine besondere Bedeutung zu. Weiterhin wur-

de im Kontext der Hypothesenrevision das bereits von DE JONG und VAN JOOLINGEN (1998)

beschriebene Problem deutlich, dass die Verifikation bzw. Falsifikation der Hypothesen nicht

auf Grundlage der gesammelten Daten erfolgt. Der dritte Problembereich ist durch den feh-

lenden Zusammenhang zur Fragestellung bzw. das Phänomen gekennzeichnet, das wieder-

um durch enger gefasste Fragestellungen konkretisiert werden könnte. DE JONG und VAN

JOOLINGEN (1998) benennen weiterhin das fehlende Wissen darüber, wie Hypothesen formu-

liert werden, sowie die Vermeidung von Hypothesen, die als unwahrscheinlich erachtet wer-

den. Die Protokollausschnitte verdeutlichen die Sicherheit der Probanden in der Formulie-

rung von Hypothesen. Somit konnte durch die Intervention das Verständnis der Hypothesen-

formulierung gebildet werden. Der Aspekt der Vermeidungsstrategie von Hypothesen wurde

in der vorliegenden Studie nicht belegt. Allerdings fehlen Belege für die Widerlegung, da im

Rahmen des offenen Experimentierens keine entsprechenden Textausschnitte vorlagen.

In der Teilkompetenz Planung eines Experiments, d. h. angemessener Umgang mit Varia-

blen, wurden drei Problembereiche erhoben: a) fehlende Kontrollvariablen, b) fehlender Kon-

trollansatz, c) Probleme mit der Variation. Das Problemfeld der a) fehlenden Kontrollvaria-

blen wurde erhoben, allerdings wird es nicht als primäres Defizit aufgezeigt. Insgesamt iden-

tifizierten fast alle Gruppen Kontrollvariablen, wobei einige wenige Gruppen nicht alle Aspek-

te berücksichtigten. Insgesamt stellte der b) Kontrollansatz die Probanden vor deutliche

Schwierigkeiten, da dieser zum einen nicht geplant oder zum anderen nicht benannt wurde.

Im Kontext der Schülerprotokolle benannten einige Gruppen den Kontrollansatz nicht, ob-

wohl er korrekt geplant und umgesetzt wurde. Ein Problem der Methode, d. h. Schülerproto-

kolle, wird deutlich, da teilweise nicht nachvollziehbar war, ob der Ansatz bewusst oder zufäl-

lig geplant wurde. Dennoch wurden insbesondere im Kontext des Kontrollansatzes Defizite

deutlich, die in einer Vielzahl der Protokolle identifiziert werden konnten. Der dritte Problem-

bereich, c) fehlerhafte Variation, ist durch unlogische Planungen oder das gänzliche Fehlen

von Variationsansätzen gekennzeichnet. Das Problem der konfundierten Variablen wird auch

von HAMMANN (2004) aufgeführt und in der vorliegenden Studie bestätigt. Das Defizit der

158

7 Diskussion

nicht zufriedenstellenden Experimente und der Variation zu vieler Variablen (DE JONG, VAN

JOOLINGEN 1998, S. 185) wurde in der offenen Experimentieraufgabe stellenweise identifi-

ziert. Die Probanden variierten dabei, ohne den Fokus auf die zuvor formulierten Hypothesen

zu richten. Von einer Gruppe wurden z. B. fünf Experimentaufbauten geplant, deren Variati-

on nicht die Überprüfung der Hypothesen ermöglichen konnte, sondern unzufriedene Ergeb-

nisse lieferte. Teilweise waren Kontrollansatz und Variation nicht klar getrennt, zwei Ansätze

entsprachen der Überprüfung der Hypothese und zwei weitere konnten als Variationen des

Kontrollansatzes interpretiert werden. Anzumerken ist zugleich, dass das Vorgehen nach

dem Prinzip trial-and-error in der offenen Experimentierphase nicht belegt werden konnte.

Auch wenn spezifische Problemfelder identifiziert werden konnten, haben die Probanden

Problemlösestrategien der Experimentiermethode angewendet, um dem Phänomen nachzu-

gehen.

In der Teilkompetenz Daten auswerten wurde ein Problemfeld insbesondere im Bereich

Transfer bzw. Übertragung auf das Raumbeispiel identifiziert. Die fehlende Interpretation

erlaubt zwei Erklärungsoptionen. Zum einen könnte der Transfer auf das Raumbeispiel Ost-

see zu abstrakt und zu schwierig für die Probanden der Jahrgangsstufe 6 gewesen sein.

Zum anderen können die Ergebnisse darauf hindeuten, dass die Gruppen dem Transfer eine

geringe Bedeutung zumaßen. Verschiedene Argumente stärken die zweite Variante. Dem-

nach erfolgte bei 19 der N = 30 Protokollausschnitten kein Transfer. Wäre bei diesen eine

Fehlinterpretation erfolgt, könnte auf einen zu hohen Schwierigkeitsgrad geschlossen wer-

den. Da aber gänzlich auf einen Transfer verzichtet wurde, scheint diesem eine geringere

Bedeutung im Kontext des geographischen Experimentes zugemessen worden zu sein. Zu-

dem deutete sich in der Erprobung kein zu hoher Schwierigkeitsgrad an, so dass der An-

nahme nachgegangen wird, dass der Transfer bzw. die Übertragung auf das Raumbeispiel

im Verständnis der Probanden zu gering verankert waren und ein Schwerpunkt auf die kon-

zeptionellen und praktischen Phasen gelegt wurde (s. Kap. 7.4.2). Als Folge dieser Befunde

kann eine getrennte Analyse der Auswertungs- und Interpretationsphase in zukünftigen Stu-

dien empfohlen werden bzw. eine verstärkte Förderung der finalen Datenauswertung und

Interpretation. Die Interpretation bedarf damit einer gesonderten und spezifischen methodi-

schen oder fachlichen Förderung. Der zweite Problembereich der Teilkompetenz Daten

auswerten liegt in dem unangemessenen Umgang mit Anomalien, d. h. die Ergebnisse wi-

dersprechen den Erwartungen; der weitere Prozess erfolgt nicht auf Grundlage der ermittel-

ten, sondern auf Basis der erwarteten Daten. Das Problem der falschen Rückschlüsse wurde

bereits aufgezeigt (KLAHR, DUNABR 1988; DE JONG, VAN JOOLINGEN 1998; KLAHR ET AL. 1993;

HAMMANN 2004) und wird in der vorliegenden Studie im Kontext des unangemessenen Um-

gangs mit Anomalien bestätigt. Insgesamt konnten in den Teilkompetenzen a) Fragestellung

159

7 Diskussion

formulieren, b) Hypothesen generieren, c) Planung eines Experiments, d) Daten auswerten

spezifische Defizite erhoben werden, so dass die Hypothese 5 der vorliegenden For-

schungsarbeit bestätigt ist.

Tabelle 32: Überblick der Ergebnisse

Fragestellung 1: Zeigen die mit dem problemlösenden Ansatz unterrichteten Schülerinnen und Schüler (Versuchsgruppe) einen höheren Kompetenzzuwachs als die Probanden, die im fragend-gelenkten Ansatz (Vergleichsgruppe) unterrichtet werden?

Hypothese 1: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompe-tenzniveau (positiver Effekt) in der Methode des Experimentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

✓ bestätigt

Hypothese 1.1: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Ver-suchsgruppe ist langfristig wirksam.

✓ bestätigt

Hypothese 1.2: Mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens erreichen die Schülerinnen und Schüler der Versuchsgruppe ein höheres Kompe-tenzniveau (positiver Effekt) in allen vier Teilkompetenzen des Experi-mentierens als die Probanden der Vergleichsgruppe.

❍ teilweise bestätigt

Hypothese 1.3: Der positive Effekt des Kompetenzniveaus der Ver-suchsgruppe ist in allen vier Teilkompetenzen langfristig wirksam.


Fragestellung 2: Hat die Lernausgangslage auf die Förderung der Teilkompetenzen des Experimentierens einen Effekt?

Hypothese 2: Beim problemlösenden Lernen mit der Methode des Expe-rimentierens (Versuchsgruppe) zeigen leistungsstärkere Schüler gegen-über leistungsschwächeren eine erhöhte Kompetenzentwicklung (positi-ve Effekte).

✗ nicht bestätigt

Fragestellung 3: Kann mit dem Ansatz des problemlösenden Lernens neben dem methodi-schen Erkenntnisgewinn das Fachwissen gefördert werden?

Hypothese 3: Problemlösendes Lernen mit der Methode des Experimen-tierens (Versuchsgruppe) zeigt positive Effekte beim Zuwachs des Fachwissens.

✗ nicht bestätigt

Fragestellung 4: Welche Kompetenzstufen werden durch offenes Experimentieren (Ver-suchsgruppe Teil II) erreicht?

Hypothese 4: Die Probanden erreichen in den Teilkompetenzen ein logi-sches, adäquates und systematisches Niveau (Stufe 4).


Fragestellung 5: Lassen sich durch die offene Lernumgebung spezifische Schwierigkeiten bei den einzelnen Teilkompetenzen des Experimentierens (Versuchsgruppe Teil II) identifi-zieren?

Hypothese 5: In allen vier Teilkompetenzen des Experimentierens kön-nen spezifische Defizite identifiziert werden.

✓ bestätigt

160

7 Diskussion

7.5 Diskussion der Methode

Die Erhebung der Interventionsstudie erfolgte durch einen multiple-choice-Test. Die Aufga-

benkultur sichert einerseits die Objektivität, hat aber zugleich den Nachteil, dass nicht alle

Facetten der kognitiven Kompetenzen erhoben werden können und durch die Vorgabe der

Experimente Interpretationsmöglichkeiten bzw. die Möglichkeiten des Nachvollziehens ge-

geben sind, so von EHMER (2008) als Problem der geschlossenen Aufgabenformate be-

schrieben. Die Nachteile der muliplt-choice-Aufgaben werden auch in der vorliegenden Stu-

die insbesondere in den Teilbereichen Hypothesen generieren, Planung eines Experiments

und Daten auswerten deutlich. Um die kognitive Leistungsfähigkeit der jungen Probanden

nicht zu überfordern, mussten Schwerpunkte in den Teilkompetenzen gesetzt werden, die

auf den Teilbereichen Fragestellung identifizieren und entsprechende Hypothesen ableiten

bzw. generieren, Variablen identifizieren und kontrollieren, Daten auswerten und Aussagen

formulieren lagen und orientiert an empirisch belegten Leistungstestaufgaben konzipiert

wurden (z. B. BAUMERT ET AL. 1997; HAMMANN 2007; HOF 2011).

Abschließende Evaluationsaspekte werden damit eröffnet. Die Hypothesengenerierung als

Schwerpunkt des Leistungstests im Bereich Hypothesen generieren konnte im Zuge der In-

tervention in der Vergleichsgruppe signifikant gefördert werden. In der offenen Aufgabe der

Evaluationsstudie wurde die Teilkompetenz unter dem ergänzenden Aspekt der Revision

bzw. Bestätigung erweitert und eine Vernachlässigung wurde aufgedeckt. Durch die vorge-

gebene Aufgabenkultur des Leistungstests konnte der Aspekt der Vernachlässigung nicht

erhoben werden und wurde erst im Zug der Analyse der offenen Aufgabe identifiziert. Eine

Ergänzung der Erkenntnisse wird deutlich. Im Teilbereich Planung eines Experiments waren

im Leistungstest die Fragen primär auf den Kontrollansatz ausgerichtet. Die Probanden er-

reichten signifikant höhere Kompetenzentwicklungen als die Probanden der Vergleichsgrup-

pen. Dennoch erwies sich der Kontrollansatz als deutliches Problemfeld der Teilkompetenz

Planung im offenen Prozess (Evaluationsstudie). Demnach konnten die Schülerinnen und

Schüler (Versuchsgruppen) im geschlossenen Aufgabenformat die richtigen Antworten aus

den vorgegebenen Experimenten herleiten und eventuell interpretierend analysieren, was im

offenen Experimentierprozess nicht möglich war. Die zu erbringenden kognitiven Leistungen

waren im offenen Prozess demnach deutlich höher, da keine Vorgaben oder Antwortauswahl

den Leistungsprozess beeinflussen oder erleichtern konnten. Auch im Teilbereich Daten

auswerten konnten blinde Flecke identifiziert werden. So lag der Inhalt des Leistungstests

auf der Beobachtung der Ergebnisse. Dieser Bereich erwies sich auch im offenen Prozess

als unproblematisch, da alle Gruppen die Beobachtung ihrer Ergebnisse weitestgehend ad-

äquat formulieren konnten. Demgegenüber konnte der Transfer der Daten auf das Raumbei-

spiel im offenen Experimentierprozess (Evaluationsstudie) als besonders problematisch

161

7 Diskussion

identifiziert werden. Auch wenn die Ergebnisse der Evaluationsstudie keinen repräsentativen

Charakter haben, so konnten die Forschungsfragen evaluiert und sogenannten blinde Flecke

aufgedeckt werden. Zudem erfolgten Ergänzungen, die durch die rein quantitative Erhe-

bungsmethode nicht erhoben werden konnten.

Neben der Ermittlung von blinden Flecken und Ergänzungen werden auch offensichtliche

Parallelen zwischen den Ergebnissen der Interventions- und Evaluationsstudie (d. h. Post-

test und offener Experimentieraufgabe) erhoben, die insbesondere im Vergleich des Lernzu-

wachses (Interventionsstudie) sowie auf den Kompetenzeinstufungen (Evaluationsstudie)

der Sequenz 10 basieren. Beide entsprechen einem Kompetenzstand mit aufsteigender Rei-

henfolge: Daten auswerten → Planung eines Experiments → Hypothesen generieren →

Fragestellung formulieren. Deckeneffekte sind dabei zu berücksichtigen.

Weit gefasste Erkenntnisse zur geographischen Experimentierkompetenz mit dem Ansatz

des problemlösenden Lernens wurden erhoben und zugleich neue Forschungsansätze auf

diesem Gebiet eröffnet.

162

8 Konsequenzen für die Unterrichtspraxis


Die zentralen Erkenntnisse für die Unterrichtspraxis können in den folgenden Aspekten zu-

sammengefasst werden:

o der problemlösende Unterrichtsansatz scheint geeignet zu sein, die Methodenkompetenz

des geographischen Experiments und Strategien zum Lösen von Problemen zu fördern;

o um eine langfristige Methodenkompetenz entwickeln zu können, sollten kontinuierliche

Förderungen im Laufe der Jahre erfolgen;

o leistungsschwächere Lernende scheinen Vorteile durch den Ansatz des problemlösenden

Lernens zu haben;

o der Zuwachs des Fachwissens wird weder positiv noch negativ durch den Ansatz des

problemlösenden Lernens beeinflusst;

o Fehlvorstellungen und unsystematisches Vorgehen im methodischen Umgang innerhalb

der Methode sind stellenweise fest verankert, so dass durch einzelne Unterrichtsprozes-

se im problemlösenden Lernen nicht alle Defizite behoben werden können.

Der Unterrichtsansatz des problemlösenden Lernens ist insgesamt geeignet, um die Metho-

denkompetenz des Experimentierens bei Lernenden zu fördern. Parallel wird der fragend-

gelenkte Unterricht im Erwerb von Fachwissen als ebenso effektives Unterrichtsverfahren

identifiziert. Eine gänzliche Reduktion des traditionellen Ansatzes im Unterrichtsgeschehen

sollte nicht erfolgen. Mit Blick auf die Teilkompetenzen des Experimentierens werden dies-

bezüglich Perspektiven eröffnet, die die Unterrichtsqualität beeinflussen können. Für die

Praxis könnte dies z. B. bedeuten, dass eine verstärkte Zuwendung und Förderung der In-

terpretationsphase im Bereich der Teilkompetenz ‚Daten auswerten’ erfolgen sollte. Dass

diese Teilkompetenz eher auf fachlichem Wissen als auf Methodenkompetenz beruht, kann

nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Synergieeffekte können somit in der Phase ‚Daten

auswerten’ und insbesondere im Teilbereich Interpretation durch Methodenwechsel erzeugt

werden (strukturiertes, fragend-gelenktes Unterrichtsgespräch vs. Öffnung in problemlösen-

den Unterrichtssequenzen). Die Methodenvariation kann die Vorteile der einzelnen Unter-

richtsansätze stärken und dadurch den Kompetenzerwerb positiv beeinflussen. Zudem be-

nennt HELMKE (2005) die Methodenvielfalt als ein Qualitätskennzeichen. Weitere Autoren

schließen sich dem an: „Eine angemessene Vielfalt an Unterrichtsmethoden ist ein Quali-

tätsmerkmal guten Unterrichts“ (GÖTZ ET AL. 2005, S. 342).

HOF (2011) führt in diesem Kontext das Kriterium der Kompetenzförderung im Vergleich zum

Erwerb des Fachwissens an und beschreibt den Wechsel offener und angeleiteter Arbeits-

prozesse als mögliche Optimierung des Kompetenzerwerbs. Die Heranführung durch struk-

163


turierte und angeleitete Unterrichtsphasen mit einer kontinuierlichen Öffnung des methodi-

schen Vorgehens, wie in der vorliegenden Studie konzipiert und praktiziert, führt diesen Op-

timierungsgedanken fort und wird fachdidaktischen Publikationen im Kontext des geographi-

schen Experimentierens gerecht (OTTO ET AL. 2011, S. 105; MÖNTER, HOF 2012, S. 304 f.).

Dennoch ist eine geringere Effektivität des problemlösenden Unterrichtsansatzes auf die

langfristige Kompetenzentwicklung zu verzeichnen. Eine wiederholende Förderung könnte

dieser Tendenz entgegenwirken und sollte in schulinternen Curricula berücksichtigt werden.

Ein Spiralcurriculum, basierend auf einem Kompetenzentwicklungsmodell (z. B. HAMMANN

2004; OTTO ET AL. 2010; MÖNTER, HOF 2012), wie es auch in anderen geographischen Kom-

petenzbereichen gefordert wird (RINGEL 2012, S. 188 f.), sollte die Grundlage bilden. Eine

wiederholende Förderung der einzelnen Teilkompetenzen mit steigendem Niveau und Öff-

nungsgrad wird empfohlen. Dies kommt den Forderungen entgegen, die Lernenden vor einer

(methodischen) Überforderung zu bewahren (z. B. MÖNTER, HOF 2012, S. 305 f.), und bein-

haltet zugleich das Potenzial, die spezifischen Defizite der Methode allmählich zu reduzieren.

Im Umkehrschluss könnte eine graduelle Kompetenzentwicklung der systematischen Denk-

und Arbeitsweise gebildet werden. Ziel sollte eine transparente, planbare und strukturierte

Kompetenzentwicklung im Laufe der Schuljahre sein.

Dass die Schulart einen erheblichen Einfluss auf das naturwissenschaftliche Kompetenzni-

veau der Lernenden hat, wurde bereits in den PISA-Erhebungen deutlich (PRENZEL ET AL.

2006b, S. 6; KLIEME ET. AL 2010, S. 189 f.) und in der vorliegenden Normierungsstudie bestä-

tigt. Zugleich konnte belegt werden, dass Lernende der bildungsschwächeren Schularten

(Realschule, IGS) einen hohen Kompetenzerwerb im problemlösenden Unterrichtsprozess

erreichen können. Somit kann der problemlösende Unterrichtsansatz, der im Experimentier-

prozess durch eine schrittweise Öffnung der Schülereigenständigkeit gekennzeichnet ist

(MÖNTER, HOF 2012, S. 305 f.), gerade leistungsschwächeren Lernenden die Chance der

naturwissenschaftlichen Kompetenzentwicklung ermöglichen und so individuelle Zukunfts-

perspektiven verbessern.

Die Konzeption und Durchführung eines geographischen Experiments mit dem Ansatz des

problemlösenden Lernens ist durch einen zeitlichen, materiellen und organisatorischen

Mehraufwand im Vergleich zu traditionellen Unterrichtsansätzen gekennzeichnet. Diesen

Nachteilen wirken eine Vielzahl von Vorteilen entgegen, die im Gesamtkonzept überwiegen:

Neben einer deutlichen Kompetenzentwicklung im methodischen Bereich ist bei gleichem

zeitlichen Aufwand durch den Ansatz des problemlösenden Lernens kein geringerer Zu-

wachs an Fachwissens zu erwarten. Auch scheinen leistungsschwächere Lernende Vorteile

aus einer solchen Unterrichtskonzeption ziehen zu können.

164

9 Fazit und Ausblick


Aus dem Einleitungskapitel geht hervor, dass im Zuge der PISA-Ergebnisse eine verstärkte

Problemorientierung in der naturwissenschaftlichen Grundbildung gefordert wurde. Kompe-

tenzorientierte Unterrichtsprozesse bieten dabei die Chance, den Schülerinnen und Schülern

Konzepte und Strategien für lebenslanges Lernen zu vermitteln. Erkenntnisprozesse verste-

hen, diese anwenden und reflektieren zu können stellt dafür eine Grundvoraussetzung dar.

Die Methode des Experimentierens bietet die Möglichkeit, solche Problemlösungsstrategien

nachvollziehbar zu machen und sie selbstständig entwickeln und langfristig nutzen zu kön-

nen. Kennzeichnend ist ein systematisches Vorgehen, um Probleme und Phänomene lösen

bzw. erklären zu können. Die Geographie als Schnittstelle der Natur- und Gesellschaftswis-

senschaften bildet eine Basis für diesen Verantwortungsbereich. Der „Geographieunterricht

[trägt] in besonderem Maße dazu bei, ein mehrperspektivisches, systematisches und pro-

blemlösendes Denken zu fördern“ (DGFG 2007, S, 6). Im Resümee dieser Forderungen bzw.

Verantwortungsbereiche können durch die Methode ‚Experimentieren’ grundlegende Kompe-

tenzen im Bereich der geographischen Erkenntnisgewinnung gefördert werden. Dennoch

lagen bisher nur in Ansätzen Forschungsergebnisse zur Erkenntnisgewinnung durch die Me-

thode des Experiments aus geographiedidaktischer Perspektive vor. Die Ergebnisse der vor-

liegenden Forschungsarbeit verdeutlichen zum einen den Mehrwert der Methode für den

Geographieunterricht, da systematische Problemlösestrategien entwickelt und angewendet

werden können, um geographische Probleme und Phänomene zu erklären und dadurch ei-

nen Beitrag zur Welterschließung zu leisten. Zum anderen können die naturwissenschaftli-

che Position der Geographie und zugleich die Brückendisziplin, ihr Identitätsmerkmal, ge-

stärkt werden.

Neben den vielfältigen Erkenntnissen zum problemlösenden Lernen mit der Methode des

Experimentierens wurden zugleich neue Forschungsfelder aufgedeckt, die in späteren For-

schungsvorhaben evaluiert werden sollten. Das Kompetenzentwicklungsmodell erwies sich

grundsätzlich als geeignet. Eine Ausnahme stellte dabei die Teilkompetenz Fragestellung

formulieren dar. Eine Überarbeitung der Teilkompetenz auf Grundlage der Entwicklung von

Kompetenzmodellen nach HEMMER (2012) könnte die Probleme der Variablen, der hierarchi-

schen Strukturierung (Kompetenzstufungen) und der eindeutigen Definitionen beheben. Die

Berücksichtigung von z. B. weit- bzw. enggefassten Fragestellungen (MÖNTER, HOF 2012, S.

298) könnte differenzierte Strukturierungsmöglichkeiten der Kompetenzentwicklung ermögli-

chen und methodischen Defiziten seitens der Lernenden langfristig vorbeugen. Eine ent-

sprechende Ergänzung bzw. Überarbeitung der Teilkompetenz Hypothesen generieren

könnte weitere Problembereiche eingrenzen. Zur Umsetzung sollte ein Messinstrument ent-

wickelt werden, das die Kompetenzstufen objektiv abbildet. In der Konzeption des vorliegen-

165


den Messinstruments wurden Probleme deutlich, die mit Deckeneffekten (Teilkompetenz

Daten auswerten) einhergehen. Um diesen vorzubeugen und die Reliabilität zu verbessern,

sollte u. a. die Itemanzahl in den einzelnen Kompetenzstufen erhöht werden.

Die gewählte Methodik unter Berücksichtigung quantitativer und qualitativer Verfahren, wie

bereits bei HOF (2011) im Kontext neuer Forschungsfeldern zur kompetenzorientierten Er-

kenntnisgewinnung benannt, ist geeignet, weitreichende Erkenntnisse zur Kompetenzent-

wicklung belegen zu können. Zugleich werden neue Forschungsperspektiven eröffnet, die in

Folgestudien detailliert evaluiert werden sollten. In allen Teilkompetenzen der Methode wur-

den spezifische Problem- und Forschungsfelder eröffnet, die sowohl im forschungsmethodi-

schen Bereich als auch auf Grundlage der Ergebnisse Optionen bieten. Methodisch könnte

eine vertiefende qualitative Analyse im praktischen Experimentierprozess (z. B. durch Video-

grafieren) u. a. Einblicke in gruppendynamische Einflussfaktoren (z. B. STEIN 2012) bieten,

die auf kooperative Arbeitsprozesse wirken können. Problemlösende Lernsituationen sind

durch kooperative Prozesse gekennzeichnet. Entstehende Dynamiken innerhalb der Grup-

pen könnten den Kompetenzentwicklungsprozess nachhaltig beeinflussen. Durch qualitative

Analysemethoden könnten solche Prozesse aufgedeckt werden und weitere Rückschlüsse

über die Kompetenzentwicklung im problemlösenden, kooperativen Prozess durch die Me-

thode des Experimentierens zulassen. Auf Grundlage der Ergebnisse (spezifische Defizite)

der einzelnen Teilkompetenzen könnten außerdem Probleme des unsystematischen Vorge-

hens explizit analysiert und langfristig korrigiert werden. Demnach wurden in der offenen

Lernsituation einzelne methodische Elemente als besonders diffizil bewertet, z. B. der sy-

stematische Umgang mit dem Kontrollansatz (Teilkompetenz Planung eines Experiments)

oder die Übertragung der Erkenntnisse auf das Raumbeispiel (Teilkompetenz Daten auswer-

ten).

Um das Potenzial der Methode nutzen zu können, muss die Möglichkeit geschaffen werden,

die Methode des Experimentierens verstärkt und fachdidaktisch angemessen in die Unter-

richtspraxis zu implementieren. Auch für geographische Lehrkräfte ohne grundlegende na-

turwissenschaftliche Kenntnisse muss die Möglichkeit geschaffen werden, sich mit dem Kon-

zept vertraut machen zu können. Daraus resultieren zwei Forderungen: Zum einen muss der

methodische Begriff ‚Experiment’ in geographischen Fachzeitschriften, Schulbüchern und

Arbeitsmaterialien fach- und methodengemäß kommuniziert werden. Grundlagen dafür bie-

ten neben der vorliegenden Forschungsarbeit jüngere fachdidaktische Publikationen (z. B.

OTTO 2009; OTTO, MÖNTER 2009; OTTO EL AL. 2010; MÖNTER, HOF 2012). Zum anderen sollte

weiterhin und verstärkt die Entwicklung und Veröffentlichung von fach- und methodengemä-

ßen Experimenten erfolgen, die den breiten inhaltlichen/thematischen Kontext sowie das

(naturwissenschaftliche) Potenzial der Geographie abdecken. Angeleitete und offene Phasen

166


wurden in der Unterrichtskonzeption – Süßwasser- und Salzwasserphänomene/-probleme –

auch innerhalb der Teilkompetenzen eingesetzt. Dies sollte in den einzelnen Teilbereichen

des Experimentierens ebenso berücksichtigt werden wie das aufsteigende Schwierigkeits-

und Komplexitätsniveau. Dabei müssen in den Lehrer- und Schülermaterialien explizit die

Problembereiche, d. h. die Defizite der Teilkompetenzen, thematisiert werden, um entspre-

chende Förderungen zu ermöglichen.

167

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!

! 181!

!11 Anhang • I Messinstrument (Normierungs- und Interventionsstudie)

!

Anhang I: Messinstrument (Normierungs- und Interventionsstudie)

Liebe Schülerin, lieber Schüler,

in diesem Fragebogen geht es um das Experimentieren in den Fächern Sachkunde, Erd-kunde oder Gesellschaftslehre. Die Ergebnisse werden selbstverständlich anonym aus-gewertet. Ich bitte dich, die Fragen genau zu lesen und dich zu bemühen sie gewissenhaft zu beantworten! Bei manchen Fragen sind mehrere Antworten richtig. Wenn du etwas nicht beantworten kannst, dann rate nicht! Kreuze in diesem Fall das Kästchen „weiß nicht“ an.

Geschlecht: weiblich

männlich

Alter: Jahre

Klassenstufe: Klasse

Schulform: Integrierte Gesamtschule/Förderstufe

Grundschule

Hauptschule

Realschule

Gymnasium

Mittelstufenschule

Noten im letzten Zeugnis:

Sachkunde/Erdkunde/Gesellschaftslehre

Biologie

Hier erstellst du einen Code. Damit bleibt dein Fragebogen anonym.

Den zweiten und dritten Buchstaben deines Vornamens

Beispiel: Lena = EN

Der Tag Deines Geburtsdatums

Beispiel: 5. September = 05

Die ersten beiden Buchstaben des Vornamens Deiner Mutter

Beispiel: Name Deiner Mutter: Katrin = KA

!

! 182!


!

Selbsteinschätzung und Fragen zum Experimentieren

sehr gut

gut mittel-mäßig

schlecht sehr schlecht

1 Wie schätzt du dein Können im Experimentieren ein?

2

In welchen Unterrichtsfächern hast du bereits experimentiert? Kreuze an. Mehrere Kreuze sind möglich.

sehr häufig

häufig manchmal selten noch nie

3 Hast du im Unterricht bereits experimentiert?

3.1 Hast du im Unterricht selbst Fragestellungen oder Problemfragen zu einem Experiment formuliert?

3.2 Hast du im Unterricht schon einmal Vermutungen (Hypothesen) zu einem Experiment formuliert?

3.3 Hast du schon einmal ein Experiment selbst geplant und durchgeführt?

3.4 Hast du die Ergebnisse eines Experiments schon einmal selbst ausgewertet?

4 Hier kannst du etwas über deine Erfahrungen im Experimentieren aufschreiben:

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Sachkunde

Biologie

Erdkunde/Gesellschaftslehre

Keins

Weiteres Fach:

!

! 183!


!

5 Kreuze die richtige Antwort an:

5.1 Beim Experimentieren…

a)…müssen abhängige und unabhängige Variablen (Bedingungen wie Wasser in Milliliter, Boden in Gramm) festgelegt werden.

b)…müssen möglichst viele verschiedene Materialien für den Aufbau des Experiments verwendet werden.

c)…müssen keine abhängigen und unabhängigen Variablen (Bedingungen wie Wasser in Milliliter, Boden in Gramm) festgelegt werden.

d)…müssen immer Lebewesen untersucht werden.

e)…weiß nicht.

5.2 Experimentieren bedeutet…

a)…eine Fragestellung und Hypothesen (Vermutungen) zu formulieren. Sie werden durch ein Experiment bestätigt oder widerlegt.

b)…viele Fragestellungen und keine Hypothesen (Vermutungen) zu formulieren. Sie werden durch ein Experiment immer bestätigt.

c)…viele Fragestellungen und Hypothesen (Vermutungen) zu formulieren. Sie werden durch ein Experiment immer bestätigt.

d)…keine Fragestellung und keine Hypothesen (Vermutungen) zu formulieren.

e)…weiß nicht.

5.3 Ein Experiment besteht immer aus folgender Reihenfolge:…

a)….Frage formulieren, Beobachten, Experiment planen und durchführen , Frage widerlegen

b)…Frage formulieren, Experiment planen und durchführen, Hypothesen aufstellen, beobachten und auswerten

b)…beobachten, Experiment durchführen, Hypothesen aufstellen, Ergebnisse auswerten

c)…Frage formulieren, Hypothesen aufstellen, Experiment planen und durchführen, Ergebnisse auswerten.

d)…weiß nicht.

!

! 184!


!

Fragestellungen passend zu einem Experiment formulieren:

A1

Menschen benötigen sauberes Wasser zum Trinken, Kochen und Waschen. Damit ge-nügend Wasser für die Menschen vorhanden ist, müssen große Mengen Wasser aus Flüssen und Seen gefiltert werden, das bedeutet gereinigt werden. Dafür führt die Klasse 4b ein Experiment durch.

Schlamm wird hergestellt. Diese Flüssigkeit wird auf drei Einmachgläser aufgeteilt.

Abb.:%verändert%nach%HELL,%K.%(2002:%3)%

Ansatz A: Schlamm wird durch

Kies gefiltert.

Ansatz B: Schlamm wird durch

Sand gefiltert.

Ansatz C: Schlamm wird nicht gefiltert.

Welche Fragestellung hat sich die Klasse 4b vor dem Experiment gestellt?

(Eine Antwort ist richtig.)

a) Sollten die Menschen ihr Wasser vor dem Kochen durch einen Filter laufen lassen?

b) Hat Boden eine Filterwirkung für verunreinigtes Wasser?

c) Besteht Boden aus Kies und Sand?

d) Können Menschen Wasser trinken, das mit Kies und Sand gereinigt wurde?

e) Weiß nicht.

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!!

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! 185!


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A2

Ausgelaufenes Öl von alten Autos ist ein großes Problem für die Natur. Es ist gefährlich für Pflanzen und Tiere. Öl und Wasser vermischen sich nicht. Das ausgelaufene Öl schwimmt auf dem Wasser. Die Schülerinnen und Schüler der Klasse 5a möchten eine Möglichkeit untersuchen, wie geringe Mengen Öl von Wasser getrennt werden können.

Dafür füllen sie zwei Schalen mit Wasser und geben jeweils vier Esslöffel Speiseöl dazu.

Abb.:%verändert%nach%HELL,%K.%(2002:%17)

Bei der einen Schale versuchen sie das Öl mit einem Löffel abzuschöpfen.

Bei der zweiten Schale bestreuen sie das schwimmende Öl mit einem Bindemittel (Sägespäne/Torf).

Welche Fragestellung haben sich die Schülerinnen und Schüler vor dem Experiment gestellt? (Eine Antwort ist richtig.)

a) Vermischen sich Öl und Wasser bei der Zugabe von Bindemitteln?

b) Sind Bindemittel für die Trennung von Wasser und Öl notwendig?

c) Schwimmt Öl auf Wasser?

d) Schwimmt Wasser auf Öl?

e) Weiß nicht.

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! 186!


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A3

In heißen Regionen regnet es wenig. Darum müssen die Bauern ihren Pflanzen auf den Feldern Wasser geben. Dabei versickert ein Teil des Wassers in den Boden. Es läuft in den Untergrund. Salzteilchen lösen sich im Wasser. Das Wasser im Untergrund wird salzig. Das Wasser aus dem Untergrund kann wieder bis zur Bodenoberfläche gesogen werden.

Er baut folgendes Experiment auf:


Tim lässt die zwei Experimentaufbauten eine Woche an einem warmen Ort stehen. Dann holt er die Blumentöpfe aus den Schalen. Er wartet, bis der Boden getrocknet ist. Sind weiße Verfärbungen in dem Boden und an der Oberfläche zu sehen, wurde Salz angesogen.

Welche Fragestellung hat Tim mit den Ansätzen untersucht? (Eine Antwort ist richtig.)

a) Wird Salz im Wasser durch die Saugkraft des Bodens in den Untergrund gesogen?

b) Werden geringe Mengen Wasser durch die Saugkraft des Bodens vom Untergrund bis an die Bodenoberfläche gesogen?

c) Wird Salz (im Wasser gelöst) durch die Saugkraft des Bodens bis an die Bodenober-fläche gesogen?

d) Wird das Wasser ohne Salz schneller an die Bodenoberfläche aufgesogen als das Wasser mit viel Salz?

e) Weiß nicht.

A:!Viel!Salz!im!Wasser! B:!Kein!Salz!im!Wasser!

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! 187!


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1)!Glas!mit!100!ml!Was7!

! ! ser!wird!in!den!Kühl7!

! ! schrank!gestellt.!

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B) Hypothesen (Vermutungen) formulieren:

B1

Wasser verschwindet. Ihr kennt das von nassen Haaren, die trocken werden. Dies nennt man Verdunsten. Wie schnell Wasser verdunstet, ist abhängig von Temperatur und Wind. Die Klasse 5c untersucht, unter welchen Bedingungen Wasser schneller verdunstet.

Dafür werden vier gleich große Gläser mit gleich viel Wasser gefüllt. Sie werden an verschie-dene Orte gestellt. Anschließend stoppen die Schüler die Zeit, in der das Wasser verdunstet (verschwindet).

Welche Hypothesen (Vermutungen) möchte die Klasse 5c bei diesem Experiment überprüfen? (Zwei Antworten sind richtig).

1) Je größer das Glas ist, desto schneller verdunstet Wasser.

2) Die Glasgröße hat keinen Einfluss auf die Verdunstungsgeschwindigkeit.

3) Temperatur und Wind haben keinen Einfluss auf die Verdunstungsgeschwindigkeit.

4) Je wärmer und windiger es ist, desto schneller verdunstet das Wasser.

5) Weiß nicht.

Gemessene Zeit, in der das Wasser verdunstet:

Kühlschrank warmer Ort normale Temperatur unter einem Föhn

Gar nicht 12 Stunden 24 Stunden 4 Stunden

!

2)!Glas!mit!100!ml!Was7!

! ser!wird!an!einen!war7!

! men!Ort!gestellt.!

!

! !

! 3)!Glas!mit!100!ml!Was7!

! !! ! ser!wird!bei!Raum7!

! !! ! temperatur!(20°C)!

! !! ! stehen!gelassen.!

!

4)!Auf!das!Glas!mit!100!

ml!Wasser!wird!ein!

Föhn!gerichtet.!!

! ! Abb.:%nach%LINZ%(2010)%

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! 188!


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B2

Regenwasser verschwindet nach einem Regenfall im Boden. Es versickert. An anderen Stellen tritt das Wasser in Form einer Quelle wieder an die Bodenoberfläche. Somit muss das versickerte Wasser unter der Erde auf Schichten treffen. Die Schichten lassen das Wasser nicht gut durchlaufen. Leonie möchte die Bodenschichten genauer untersuchen. Sie fragt sich, welche Bodenarten Wasser nur sehr langsam versickern lassen.

Sie plant folgendes Experiment: Sie füllt drei Einmachgläser mit folgenden Materialien und schüttet jeweils 300 ml Wasser darüber:

!


Welche Hypothesen (Vermutungen) möchte Leonie bei diesem Experiment überprüfen?

(Zwei Antworten sind richtig.)

a) Je mehr Boden (in Gramm) verwendet wird, desto weniger Wasser fließt durch.

b) Je feinkörniger die Bodenform ist, desto weniger Wasser fließt durch.

c) Die Körnigkeit des Bodens hat keinen Einfluss auf die durchfließende Wassermenge.

d) Die Bodenmenge (in Gramm) hat keinen Einfluss auf die durchfließende

Wassermenge.

e) Weiß nicht.

Ansatz A: mittelkörnige Blumenerde (400g)

Ansatz B: grobkörniger Sand (400g)

Ansatz C: feinkörniger Lehm (400g)

! ! !

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! 189!


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B3

Manchmal regnet es lange Zeit nicht. Trotzdem erhalten Pflanzen zum Überleben genug Wasser aus der Erde. Dieses Phänomen soll untersucht werden.

Lena vermutet etwas. Der Boden saugt Wasser aus tieferen Bodenschichten auf. Das Experiment soll dies beweisen. Mit dem Experiment soll untersucht werden, ob der Boden das Wasser aus der Schale aufsaugt.

zu#Beginn# nach#einer#halben#Stunde#


Welche Hypothesen (Vermutungen) können mit dem Experiment überprüft werden? (Zwei Antworten sind richtig.)

a) Der Boden muss immer feucht sein.

b) Boden saugt Wasser bis an die Oberfläche.

c) Der Blumentopf trennt das Wasser von dem Boden.

d) Boden saugt Wasser nicht bis an die Oberfläche.

e) Weiß nicht.

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! 190!


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a)

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b)

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e)

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c)

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d)

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C) Experimente planen:

C1

Menschen schwimmen im Toten Meer. Sie bleiben an der Wasseroberfläche ohne Schwimmbewegungen durchzuführen. Lara vermutet, dass es an dem hohen Salzgehalt des Wassers im Toten Meer liegt!

Sie führt ein Experiment durch:

Sie füllt ein Glas mit Salzwasser und legt ein rohes Ei hinein. Das erkennst du auf der Abbildung.

Um Ihre Hypothesen (Vermutungen) zu überprüfen, braucht sie einen weiteren Kontrollansatz. Welchen sollte sie nehmen? (Eine Antwort ist richtig.)

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! 191!


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a)

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b)

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c)

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d)

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e)

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C2

Im Geographieunterricht wird das Thema „Bodenverdichtung und deren Folgen“ behandelt. Ein Experiment wird geplant. Ziel ist die Überprüfung, ob die Verdichtung des Bodens einen Einfluss auf die Versickerung des Oberflächenwassers hat. Dazu wird eine Boden-probe mit 150 g Gewicht in einen Trichter gefüllt. Mit einem Stampfer wird Druck ausgeübt und der Boden verdichtet. Anschließend werden 200 ml Wasser in den Trichter gegeben. Nach 1, 5 und 10 Minuten wird die durchgeflossene Wassermenge im Becherglas exakt bestimmt (s. Skizze). Um das Experiment wissenschaftlich korrekt durch-zuführen, benötigt die Klasse noch einen zweiten Ansatz zur Kontrolle.

Welchen Ansatz sollte die Klasse auswählen? (Eine Antwort ist richtig.)

a) Verdichtete Bodenprobe (150 g), 200 ml Wasser, Messzeitpunkt: nach 10 Minuten

b) Unverdichtete Bodenprobe (150 g), 200 ml Wasser, Messzeitpunkte: 1, 5 und 10 Minuten

c) Verdichtete Bodenprobe (150 g), 200 ml Wasser, Messzeitpunkte: 1, 5 und 10 Minuten

d) Unverdichtete Bodenprobe (200 g), 150 ml Wasser, Messzeitpunkte: 1, 5 und 10 Minuten

e) Weiß nicht

Quelle: verändert nach: OTTO, K. H., MÖNTER, L. O., HOF, S. & J. WIRTH (2010): Das geographische Experiment im Kontext empirischer Lehr-/Lernforschung. In: Geographie und ihre Didaktik. Journal of Geography Education. 3, S. 112

C3

Der Aralsee trocknet langsam aus. Es handelt sich hierbei um einen See mit einem sehr hohen Salzgehalt. Auf dem Boden der ausgetrockneten Bereiche ist ein weißer Belag zu sehen.!

Luca vermutet, dass das Salz aus dem verdunsteten Salzwasser den weißen Belag bildet. Er plant ein Experiment: Salzwasser wird durch einen Bunsenbrenner zum Kochen und dadurch zum Verdunsten gebracht. Dies erkennst du auf der oberen Abbildung.

Um seine Hypothesen (Vermutungen) zu überprüfen und vergleichen zu können, braucht Luca einen Kontrollansatz. Welchen sollte er nehmen?

Abbildungen%verändert%nach%COMMONS%(2011)%&%ANJA%(2011)

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! 192!


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D) Ergebnisse aus einem Experiment auswerten:

D1

Pflanzen benötigen Wasser zum Leben. Die Wurzeln ziehen das Wasser aus dem Boden. Unterschiedliche Bodenarten speichern unterschiedlich große Wassermengen. Einige speichern viel Wasser und einige speichern wenig Wasser. Die Klasse 6a untersucht, welche Bodenart wie viele Tassen Wasser speichern kann.

Eine Schülerin plant und führt folgendes Experiment durch.

Abb.:%%Gefäße%verändert%nach%HELL,%K.%(2001:%15),%Abb.:%Tassen%verändert%nach%LERCHENFELD%(2011)%

Welche Aussagen können aus dem Experiment getroffen werden?


1) Lehm speichert das meiste Wasser.

2) Gartenerde speichert das wenigste Wasser.

3) Kies speichert das meiste Wasser.

4) Kies speichert das wenigste Wasser.

5) Weiß nicht.

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! 193!


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D2

Wasser speichert Wärme bis in große Tiefen. Boden hingegen gibt Wärme schneller wieder ab. Anna führt ein Experiment durch. Das Experiment zeigt die unterschiedliche Erwärmung und Abkühlung von Wasser und Land.

Sie kommt zu folgenden Ergebnissen:

Welche Aussagen kann Anna aus dem Experiment ziehen?


1) Wasser erwärmt sich schneller als Sand und kühlt langsamer wieder ab.

2) Sand erwärmt sich schneller als Wasser und kühlt langsamer wieder ab.

3) Wasser erwärmt sich langsamer als Sand und kühlt langsamer wieder ab.

4) Sand erwärmt sich langsamer als Wasser und kühlt schneller wieder ab.

5) Weiß nicht.

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! 194!


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D3

Für ein gutes Pflanzenwachstum muss einiges beachtet werden. Durch unterschiedliche Bodenarten kann Wasser unterschiedlich schnell durchlaufen. Kann Wasser nur sehr lang-sam durchlaufen, dann wird der Boden zu nass. Kann Wasser zu schnell durchlaufen, dann wird der Boden zu trocken.

Lukas möchte untersuchen, durch welche Bodenarten Wasser schnell und durch welche Wasser nur schlecht durchlaufen kann. Er wartet zehn Minuten und stoppt die Zeit:


Welche Aussagen kann Lukas aus dem Experiment ziehen?


1.) Durch Gartenerde läuft Wasser am schnellsten.

2.) Durch Sand läuft Wasser am schnellsten.

3.) Durch Lehm läuft Wasser am schnellsten.

4.) Durch Lehm läuft Wasser am schlechtesten.

5.) Weiß nicht.

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! 195!


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Kreuze die richtige Antwort an!

E1 Gartenerde kann… a)…Wasser nicht speichern, da es keine Körnigkeit besitzt. b)…Wasser gut speichern, da es sehr grobkörnig ist. c)…Wasser nicht speichern, da es feinkörnig ist. d)…Wasser gut speichern, da es nicht grobkörnig ist. e)…weiß nicht. E2 Bei geringem Regen erhalten Pflanzen trotzdem genügend Wasser zum Überleben,… a)…da das Wasser unterhalb des Bodens im Untergrund fließt. b)…da Boden nie ausreichend Wasser speichern kann. c)…da Boden Wasser aus dem Untergrund bis an die Bodenoberfläche ziehen kann. d)…da Boden Wasservorräte an der Bodenoberfläche ansammelt. e)…weiß nicht. E3 Die Menschen des Punjab haben Probleme mit Bodenversalzung aufgrund… a)…der Bewässerung. Salzteilchen lösen sich im Boden und werden durch die Kapillarkraft des Bodens bis zur Erdoberfläche gezogen.

b)…des starken Regens. Der Regen spült das Meerwasser auf die Felder, sodass sich ein weißer Belag auf dem Boden bildet.

c)…der hohen Sonneneinstrahlung. Die Wärme der Sonne verändert das Süßwasser und es bildet sich eine Salzkruste an der Erdoberfläche.

d)…des starken Windes. Er transportiert Salz von den Küstenregionen in das Gebiet und das Salz lagert sich auf dem Boden ab.

e)…weiß nicht. E4 Der Aralsee trocknet langsam aus. a) Dadurch bildet sich eine Schlammschicht auf der Bodenoberfläche und die Landwirtschaft der Bauern wird erschwert.

b) Dadurch erhöht sich der Salzgehalt im Wasser. Das Wasser verdunstet (verschwindet) und Salzböden bleiben zurück.

c) Dadurch entstehen größere landwirtschaftliche Flächen für die Bauern und sie können mehr auf ihren Feldern anbauen.

d) Dadurch können die Bewohner besser fischen. Die Fische schwimmen in einem kleineren See und können besser gefangen werden.

e) Weiß nicht. E5 Menschen schwimmen ohne Schwimmbewegungen im Toten Meer, a)…weil die Sonne das Süßwasser stark erhitzt hat. b)…weil der hohe Salzgehalt die Tragfähigkeit des Wassers erhöht. c)…weil das Süßwasser die Tragfähigkeit der Menschen erhöht. d)…weil die Menschen im Toten Meer durch das Salzwasser leichter werden. e)…weiß nicht. E6 Das Wasser der Ostsee hat unterschiedliche Salzgehalte. In der unteren Wasserschicht…. a)…ist mehr Süßwasser. b)…ist Salzwasser mit wenig Salzgehalt. c)…ist das Salzwasser mit viel Salzgehalt d)…sind Süß- und Salzwasser. e)…weiß nicht.

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! 196!


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Bild- und Literaturverzeichnis:

• COMMONS (3.5.2011) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/33/Becherglas.svg/220px-Becherglas.svg.png

• ANJA (3.5.2011) http://www.rrr.de/anja/umaterial/pics/bunsenbrenner.jpg • LINZ (28.09.2010): http://www.ph-linz.at/veoe/U4/foen.gif • HELL, K. (2001): Boden. Experimente aus dem Küchenschrank. Gotha. • HELL, K. (2002): Wasser. Experimente aus dem Küchenschrank. Gotha. • HELL, K. (2002): Wetter (2). Experimente aus dem Küchenschrank. Gotha. • OTTO, K. H., MÖNTER, L. O., HOF, S. & J. WIRTH (2010): Das geographische Experiment

im Kontext empirischer Lehr-/ Lernforschung. In: Geographie und ihre Didaktik. Journal of Geography Education. Heft 3, S. 112

• LERCHENFELD (18.10.2011): http://www.vskrems-lerchenfeld.ac.at/arbeitsmaterialien/anlautbilder/tasse.jpg

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! 197!

!11 Anhang • II Unterrichtseinheit (Versuchsgruppe)

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Anhang II: Unterrichtseinheit (Versuchsgruppe)

Sequenz 1: Boden speichert Wasser

Einstiegsfolie (Folie 1)

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Abb.:!http://members.aon.at/tfladl/seite_5.htm!

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Sequenz 1: Boden speichert Wasser

AB 1 Speichern verschiedene Bodenarten unterschiedlich viel Wasser?

Pflanzen benötigen Wasser zum Leben. Die Wurzeln ziehen das Wasser aus dem Boden. Unterschiedliche Bodenarten speichern unterschiedlich große Wassermengen. Einige speichern viel Wasser und einige speichern wenig Wasser. Die Klasse 6a stellt die Frage:

Speichern unterschiedliche Bodenarten unterschiedlich viel Wasser?

Sie stellen folgende Hypothesen (Vermutungen) auf:

Hypothese (1): Je feinkörniger der Boden, desto mehr Wasser wird gespeichert.

Gegenhypothese (0): Die Bodenart hat keinen Einfluss auf die Wasserspeicherung.

Das folgende Experiment wird aufgebaut:

Beobachtung: Bei grobkörnigem Kies laufen vier von vier Tassen Wasser durch. Bei feinkörnigem Lehm läuft nur eine Tasse Wasser durch.

Auswertung: Der grobkörnige Kies speichert am wenigsten Wasser. Der feinkörnige Lehm hingegen am meisten. Somit kann Hypothese (1) bestätigt werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass feinkörniger Boden Wasser besser speichern kann als grobkörniger Boden.

Aufgabe: Lies aufmerksam das Experiment zum Thema „Boden speichert Wasser“. Schneide danach die Kästchen von AB 2 aus. Klebe sie in der richtigen Reihenfolge auf das Ablaufschema von AB 3 auf. Es muss der richtige Verlauf eines Experiments entstehen.

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! 199!


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AB 2

Verlauf eines wissenschaftlichen Experiments

1 Schneide die Felder an den gestrichelten Linien aus. 2 Finde heraus, in welcher Reihenfolge Naturwissenschaftler vorgehen können. 3 Ordne die ausgeschnittenen Kärtchen in der richtigen Reihenfolge in das Schema

ein. 4 Klebe sie nach der gemeinsamen Besprechung auf.

etwas Interessantes beobachten

Experiment planen und dann durchführen

Ergebnisse auswerten

Hypothese (Vermutung) bestätigt

Hypothese (Vermutung) nicht bestätigt

Frage formulieren

Hypothese (Vermutung) und Gegenhypothese (Gegenvermutung)

aufschreiben

beobachten und Ergebnisse aufschreiben

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! 200!


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AB 3

Ablaufschema eines wissenschaftlichen Experiments

neue Hypothese und Gegenhypothese aufschreiben

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! 201!


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Sequenz 2: Kapillarkraft des Bodens


Abb.: http://www2.ufz.de/index.php?de=21902

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! 202!


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AB 4

Fragestellung formulieren

Manchmal regnet es lange Zeit nicht. Trotzdem erhalten Pflanzen zum Überleben genug Wasser aus dem Boden. Dieses Phänomen (man nennt es Kapillarkraft des Bodens) wird untersucht.

Ein Blumentopf wird mit 300 g Gartenerde gefüllt und in eine Schale gestellt. Anschließend werden 200 ml Wasser in die Schale gefüllt. Der Wasserstand in der Schale wird gemessen und entspricht zu Beginn des Experiments 4 cm (vom Boden gemessen).

Eine überprüfbare Frage formulieren:

1 Beschreibe genau, was du siehst.

2 Was wollen die Forscher herausfinden?

3 Formuliere dies in einer Frage. Verwende nicht das Wort warum in deiner Frage.

4 Sie muss mit einem Experiment überprüft werden können.

Welche Fragestellung kann mit diesem Experiment überprüft werden?

Formuliere eine passende Fragestellung:

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

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! 203!


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Sequenz 3: Kapillarkraft des Bodens

AB 5

Schreibe die Hypothesen (Vermutungen) als Aussagen auf:

Hypothese (1): Je ______________________________ im feuchten Untergrund steht, desto

_______________________________ wird aufgesaugt.

Gegenhypothese (0): ___________________________ hat keinen Einfluss auf

________________________________________ .

Regeln zum Aufstellen von Hypothesen (Vermutungen):

Hypothesen sind begründete Vermutungen!

1) Hypothesen werden als Aussage aufgeschrieben.

2) Hypothesen müssen sich auf die Frage beziehen.

3) Die Frage muss durch die Hypothesen zu überprüfen sein.

4) Die Hypothese muss die zu untersuchenden Bedingungen beinhalten.

5) Es muss immer eine Gegenhypothese aufgestellt werden.

Tipp: Hypothese (1): Je….desto….Sätze können helfen.

Wenn….dann… Sätze können helfen.

Gegenhypothese (0): ……….hat keinen Einfluss auf……..!

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! 204!


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Sequenz 5: Bodenversalzung durch Bewässerung

Einstiegsfolien (Folie 3)

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Abb.:!http://www.geo.de/GEO/technik/54993.html?t=img&p=1!

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Abb.:!http://edoc.hu7berlin.de/dissertationen/gebauer7jens720037067

05/HTML/Gebauer_html_7dd9109c.jpg!

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! 205!


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AB 6!

Bodenversalzung durch Bewässerung - Fragestellung formulieren

In heißen Regionen müssen die Bauern ihre Pflanzen auf den Feldern bewässern, da es zu

wenig regnet. Eine solche Region ist Punjab im Industiefland. Dabei versickert ein Teil des

Bewässerungswassers in den Boden. Auf diesem Weg lösen sich Salzteilchen aus dem

Boden und das Wasser ist salzig, wenn es in den unteren Schichten ankommt. Da Boden

eine ähnliche Wirkung wie ein Schwamm hat (Kapillarkraft), kann das Wasser mit dem darin

gelösten Salz wieder von den unteren Bodenschichten bis zur Bodenoberfläche gesogen

werden. Ein weißer Belag ist an der Oberfläche zu sehen.

Tim macht dazu ein Experiment:

Welche Fragestellung will er mit dem Experiment überprüfen?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

AB 7

Bodenversalzung durch Bewässerung – Hypothesen formulieren

Tim möchte mit einem Experiment die Fragestellung überprüfen. Dafür muss er eine

Hypothese (1) und eine Gegenhypothese (0) passend zu der Fragestellung formulieren.

Schreibe die Hypothesen als Aussagen auf:

Hypothese (1): ____________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Gegenhypothese (0): ______________________________________________________

__________________________________________________________________________

Abb.!verändert!nach!(Peter,!Hof!2011;!S.!45)!

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! 206!


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AB 8

Bodenversalzung durch Bewässerung – Planung und Durchführung (Teil I)

Aufgaben

1. Schreibe zunächst die Fragestellung und Hypothesen nochmals auf.

Fragestellung:_______________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Hypothese (1): ____________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Gegenhypothese (0): ______________________________________________________

__________________________________________________________________________

Variablen sind die Faktoren (Bedingungen), die das Experiment beeinflussen, z.B. die

Wassermenge (in ml) oder die Salzmenge (in g). Es werden abhängige und unabhängige

Variablen unterschieden. In einem Experiment musst du diese bestimmen:

a) Überlege, was du messen oder beobachten möchtest. Das ist dann die abhängige

Variable. Sie wurde bereits in der Fragestellung genannt.

b) Überlege, welche weiteren Variablen (z.B. Bodenmenge) es gibt. Das sind die

unabhängigen Variablen.

2. Bestimme nun die abhängige Variable und die unabhängigen Variablen. Betrachte

dafür den Experimentalaufbau und deine Hypothesen!

Das wollen wir messen/beobachten …und wird beeinflusst von

(abhängige Variable): (unabhängige Variablen):

…ist abhängig von…

Abb.!verändert!nach!(Peter,!Hof!2011;!S.!45)!

verändert!nach!(Hof!2011,!S.!250!ff.)!

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! 207!


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Sequenz 5: Bodenversalzung durch Bewässerung AB 9 Bodenversalzung durch Bewässerung – Planung und Durchführung (Teil II) Fragestellung:____________________________________________________________

Aufgabe: In Form einer Tabelle machen Lara, Tim und Maria einen Plan für die Untersuchung. Sie haben vermutet, dass die Entstehung des weißen Belags von der Salzmenge abhängt. Das bedeutet für das Experiment, die Salzmenge muss in verschiedenen Experimenten verändert werden (unabhängige Variable). Du planst dabei z.B. drei Experimentaufbauten mit immer unterschiedlichen Salzmengen im Boden. Die anderen unabhängigen Variablen (Boden in Gramm, Wassermenge in ml und Zeit in Stunden) dürfen jedoch nicht verändert werden. Sie müssen immer gleich bleiben und werden dadurch kontrolliert. Sie werden dann als Kontrollvariablen bezeichnet. Überlege, mit welchem Experimentierplan man herausfinden kann, ob die Salzmenge im Boden Einfluss auf die Bodenversalzung (sichtbarer weißer Belag auf der Bodenoberfläche) hat. Führe den richtigen Experimentierplan aus.

verändert!nach!(Peter,!Hof!2012,!S.!41)!

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! 208!


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Sequenz 6: Bodenversalzung durch Bewässerung AB 10

Bodenversalzung durch Bewässerung – Auswertung

1 Schau dir die Ergebnisse in der Tabelle an. Schreibe deine Beobachtungen genau

auf.

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

2 Schau dir nun die Fragestellung und Hypothesen (Vermutungen) noch einmal an.

Schreibe die Hypothesen in die Tabelle. Welche Hypothese kann bestätigt werden,

trifft also zu? Welche Hypothese kann widerlegt werden, trifft also nicht zu?

Kreuze an!

Hypothese

ist

bestätigt

Hypothese

ist

widerlegt

Hypothese (1):

Gegenhypothese (0):

3 Versuche das Ergebnis zu erklären! Beziehe die Ergebnisse auf die Fragestellung und

den Raum. Vielleicht fallen dir aus dem Unterricht bereits behandelte Themen ein, die

dir bei der Erklärung helfen können. Gab es Probleme bei den Ergebnissen oder der

Durchführung? Woran könnte es gelegen haben?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

4 Stellen sich neue Fragen aus den Ergebnissen? Schreibe sie auf.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

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! 209!


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Sequenz 7: Das Phänomen - Aralsee


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Der#Aralsee#1973## # # ######Der#Aralsee#2007#

Abb.:!Heyden,!K.!(2009):!Landschaftswandel!am!Aralsee.!In:!Diercke!360°Nr.!02/2009,!S.!19723!

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! 210!


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Sequenz 7: Das Phänomen - Aralsee

AB 11

Das Phänomen Aralsee – Planung und Durchführung eines Experiments (Teil I)

Der Aralsee trocknet langsam aus. Es handelt sich um

einen See mit einem sehr hohen Salzgehalt.!Auf dem

Boden der ausgetrockneten Bereiche ist ein weißer Belag

zu sehen. Die Schüler der Klasse 6 stellen folgende

Fragestellung auf:

Ist der hohe Salzgehalt im Wasser für die Entstehung des weißen Belags auf dem Boden verantwortlich?

Es werden Hypothesen formuliert:

Hypothese (1): Je höher der Salzgehalt im Wasser ist, desto mehr weißer Belag bildet sich nach der Verdunstung des Wassers auf dem Boden.

Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Entstehung des weißen Belags.

Aufgaben:

1 Bestimme nun die abhängige Variable und die unabhängigen Variablen. Betrachte dafür

den Experimentalaufbau und die Hypothesen!

Das wollen wir messen/beobachten … und wird beeinflusst von



2 Lies die Hypothesen aufmerksam durch. In der Hypothese (1) wird eine unabhängige

Variable genannt, die die abhängige Variable beeinflusst. Umkreise sie grün.

3 Welche Variablen sind demnach die Kontrollvariablen und dürfen nicht verändert werden?

Umkreise die Kontrollvariablen rot.

!

! 211!


!

Sequenz 7: Phänomen Aralsee AB 12

Das Phänomen Aralsee – Planung und Durchführung eines Experiments 1 In Form einer Tabelle macht Laura einen Plan für ihre Untersuchung. Werden dabei

alle Variablen kontrolliert? Begründe deine Aussage.

Begründung:

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Kontrollansatz

Bei deinem Experiment musst du immer einen Kontrollansatz einplanen. Wenn du vermutest,

dass z. B. die Salzmenge (in g) das Ergebnis beeinflusst, dann muss in einem Aufbau die

Variable Salz (in g) weggelassen werden. Somit musst du einen Aufbau mit Süßwasser (0 g

Salz) durchführen. So kannst du herausfinden, dass wirklich die Salzmenge das Ergebnis

beeinflusst.

2 Führe nun das Experiment praktisch durch. Beachte den Aufbau eines

Kontrollansatzes. Protokolliere anhand der Tabelle deine Beobachtungen.

unabhängige Variable

abhängige Variable Kontrollvariablen

Salz (g) weißer Belag auf dem Boden

Wassermenge (ml)

Wärmezufuhr (Anzahl der

Bunsenbrenner)

0 50 1

5 100 1

50 150 2

150 300 2

unabhängige Variable

abhängige Variable Kontrollvariablen

Salz (g) weißer Belag auf dem Boden

Wassermenge (ml)

Wärmezufuhr (Anzahl der

Bunsenbrenner)

0 50 1

5 100 1

50 150 2

150 300 2

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! 212!


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Sequenz 7: Das Phänomen - Aralsee AB 13

Das Phänomen – Aralsee – Auswertung


auf.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________




Kreuze an!

Hypothese ist

bestätigt

Hypothese ist

widerlegt

Hypothese (1):

Gegenhypothese (0):

3 Versuche das Ergebnis zu erklären! Beziehe die Ergebnisse auf die Fragestellung.

Vielleicht fallen dir aus dem Unterricht bereits behandelte Themen ein, die dir bei der

Erklärung helfen können. Gab es bei den Ergebnissen oder der Durchführung

Probleme? Woran könnte es gelegen haben?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________


__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

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! 213!


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Sequenz 8: Das Phänomen - Totes Meer


Abb.: http://lifestyle.de.msn.com/reisen/tipps-trends/diese-touri-highlights-sind-dem-untergang-geweiht?page=11

!

! 214!


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AB 14

Das Phänomen - Totes Meer – Fragestellung und Hypothesen formulieren

1) Schülerinnen und Schüler der sechsten Klasse haben dieses Experiment aufgebaut.

Sie wollten damit etwas herausfinden. Welche Fragestellung kann mit diesem

Experiment überprüft werden?

Formuliere eine passende Fragestellung.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

2) Die Schülerinnen und Schüler wollen mit dem Experiment ihre Fragestellung

überprüfen. Dafür müssen zunächst Hypothesen (Vermutungen) aufgeschrieben

werden.

Schreibe die Hypothesen als Aussage auf.

Hypothese (1): _____________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Gegenhypothese (0): ________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Abb.!verändert!nach!(Peter,!Hof!2012,!S.!39)!

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! 215!


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AB 15

Das Phänomen - Totes Meer – Experiment planen und durchführen

Im Grenzbereich von Israel und Jordanien befindet sich das Tote Meer. Der Salzgehalt des Wassers ist so hoch, dass keine Fische darin leben können. Menschen können dort schwimmen ohne Schwimmberwegungen auszuführen. Das Wasser trägt die Menschen (Tragfähigkeit).

1 Schreibt die Fragestellung und Hypothesen (Vermutung) nochmals auf:

Fragestellung: _____________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Hypothese (1): _____________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Gegenhypothese (0): ________________________________________________________

_________________________________________________________________________

2 Bestimme nun die abhängige Variable und die unabhängigen Variablen. Betrachte

dafür den Experimentalaufbau!

Das wollen wir messen/beobachten …und wird beeinflusst von



3 Umkreise die unabhängige Variable grün und die Kontrollvariablen rot.

Sequenz 8: Das Phänomen - Totes Meer Abb.!verändert!nach!(Peter,!Hof!2012,!S.!40)!

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! 216!


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AB 16

Das Phänomen Totes Meer – Experiment planen und durchführen

4 In Form einer Tabelle macht Lukas einen Plan für seine Untersuchung. Werden dabei

alle Variablen kontrolliert? Begründe deine Aussage.

Lukas Plan unabhängige

Variable abhängige Variable

Kontrollvariablen

Salzgehalt des Wassers in Gramm (g)

Lage des Eies vom Glasboden aus gemessen in Millimeter (mm)

Wassermenge im Becherglas in Milliliter (ml)

Ei: roh oder gekocht

1. Aufbau 0 250 roh

2. Aufbau 50 250 gekocht

3. Aufbau 100 500 roh

Begründung:

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

5 Führe nun das Experiment praktisch durch. Beachte den Aufbau eines

Kontrollansatzes. Protokolliere anhand der Tabelle deine Beobachtungen.

Dein Plan unabhängige

Variable abhängige Variable

Kontrollvariablen

Salzgehalt des Wassers in Gramm (g)

Lage des Eies vom Glasboden aus gemessen in Millimeter (mm)

Wassermenge im Becherglas in Milliliter (ml)

Ei: roh oder gekocht

1. Aufbau

2. Aufbau

3. Aufbau

verändert!nach!(Peter,!Hof!2012,!S.!41)!

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! 217!


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Sequenz 8: Das Phänomen - Totes Meer AB 17 Das Phänomen - Totes Meer – Auswertung


auf.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________




Kreuze an!

Hypothese ist

bestätigt

Hypothese ist

widerlegt

Hypothese (1):

Gegenhypothese (0):

3 Versuche das Ergebnis zu erklären! Beziehe die Ergebnisse auf die Fragestellung und

die Auswirkungen auf den Raum. Vielleicht fallen dir aus dem Unterricht bereits

behandelte Themen ein, die dir bei der Erklärung helfen können. Gab es bei den

Ergebnissen oder der Durchführung Probleme? Woran könnte es gelegen haben?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________


__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________!

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! 218!


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Sequenz 9: Kalt- und Warmströmungen in einem See

Stundeneinstieg

Gestern war ich im See baden. Der See war angenehm warm. Ich schwamm einige Meter,

als plötzlich das Wasser unter mir kalt wurde. Meine Beine waren im kalten Wasser, die

Hände und der Oberkörper jedoch in wärmerem Wasser. Das Seewasser hatte somit im

oberen und unteren Bereich unterschiedliche Temperaturen.

Nach einer Stunde ging ich nochmals ins Wasser und schwamm zu dieser Stelle. Ich konnte

das gleiche spüren.

Auch am Abend dachte ich noch daran. Daher ging ich am nächsten Tag wieder zum See

und schwamm wieder einige Meter hinaus. Ich konnte die gleichen Temperaturunterschiede

spüren wie am Tag zuvor. Ob sich das kalte und warme Wasser denn nicht vermischen und

lauwarmes Wasser ergeben?

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! 219!


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Sequenz 9: Kalt- und Warmströmungen in einem See

AB 18

Kalt- und Warmströmungen in einem See - Fragestellung, Hypothese und Planung

1 Formuliere zu dem Phänomen eine überprüfbare Fragestellung. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Mit einem Experiment soll die Fragestellung überprüft werden. Dafür müssen zunächst Hypothesen aufgeschrieben werden.

2 Schreibe die Hypothesen (Vermutungen) als Aussage auf.

Hypothese (1): _____________________________________________________________

_________________________________________________________________________

Gegenhypothese (0): ________________________________________________________

_________________________________________________________________________

3 Plane nun ein Experiment.

Folgende Materialien stehen für dich bereit:

- Wasser 5 °C (blau gefärbt) - Eier

- Wasser 20 °C (grün gefärbt) - Messbecher

- Wasser 40 ° C (gelb gefärbt) - Gartenerde

- Wasser 60 ° C (rot gefärbt) - Messzylinder

4 Bestimme die abhängigen und die unabhängigen Variablen.

Denke an die Kontrollvariablen!

Das wollen wir messen/beobachten … und wird beeinflusst von



5 Erstelle eine Skizze von deinem Experimentaufbau:

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! 220!


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6 Führe nun das Experiment praktisch durch. Beachte den Aufbau eines Kontrollansatzes. Protokolliere anhand der Tabelle deine Beobachtungen.


auf.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

8 Schau dir nun die Hypothesen noch einmal an und schreibe sie in die Tabelle.

Welche Hypothese kann bestätigt werden, trifft also zu? Welche Hypothese kann

widerlegt werden, trifft also nicht zu?

Hypothese (1) kann __________________________ werden.

Gegenhypothese (0) kann ____________________________ werden.

9 Versuche nun das Ergebnis zu erklären. Denke an die Fragestellung! Gab es

Probleme bei der Durchführung oder den Ergebnissen? Was kannst du das nächste

Mal verbessern?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________


__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

unabhängige Variable abhängige Variable Kontrollvariablen

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! 221!


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Sequenz 10: Salzgehalt der Ostsee

Einstiegsfolie

Folgende Materialien werden auf dem Materialtisch bereitgestellt:

- Messzylinder 100 ml

- Bechergläser

- Gartenerde

- Blumentopf

- Eier

- Süßwasser (gelb gefärbt)

- Salzwasser mit 10 g Salz (rot gefärbt)

- Salzwasser mit 50 g Salz (blau gefärbt)

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! 222!


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Hilfekarten

Hilfekarte Fragestellung formulieren

1. Beschreibe genau, was Du siehst. 2. Zu welchem Ergebnis kommst du? 3. Welche Frage könnte zuvor formuliert worden sein?

Denke daran: Die Frage muss überprüfbar (naturwissenschaftlich) sein!

Hilfekarte Vermutung aufstellen

1. Was könnte das Experiment zeigen? 2. Schreibe deine Hypothese (Vermutung) als Aussage auf. 3. Zu der Aussage muss eine Gegenaussage aufgeschrieben werden. Sie heißt

Gegenhypothese. Du brauchst sie zur abschließenden Überprüfung der Hypothesen.

Tipp: Folgende Satzbausteine können helfen!

Hypothese (1): ‚Je………….., desto…………..’. ‚Wenn……….…., dann…………..’ .

Gegenhypothese (0): ‚…………………….. hat keinen Einfluss auf………………….’.

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Hilfekarte Experiment planen und durchführen

Eine Variable ist ein Faktor (z. B. Temperatur). Er beeinflusst das Ergebnis. Überlege:

o Was muss gemessen werden? o Welche Variablen (Bedingungen) müssen konstant bleiben, also gleich bleiben? = Kontrollvariablen o Welche Variable (Bedingung) muss verändert werden? = unabhängige Variable o Welche Materialien werden für die Durchführung benötigt?

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Hilfekarte Experiment auswerten

1. Schreibe deine Beobachtungen auf. Nutze dafür das Protokoll. Fasse die Ergebnisse in eigene Worte.

2. Danach werden die Hypothesen überprüft. Denke daran – es sind Aussagen. - Welche stimmt (kann bestätigt werden)? - Welche stimmt nicht (kann widerlegt werden)?

3. Danach kannst du versuchen, die Ergebnisse zu erklären. Nutze dafür dein Wissen aus dem Unterricht. Beziehe die Fragestellung mit ein und übertrage die Ergebnisse auf das Raumbeispiel.

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! 223!

!11 Anhang • IV Codieranleitung (Evaluationsstudie)

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Anhang III: Protokollausschnitte (Evaluationsstudie)

Protokoll A1 (Schülerprotokoll)

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! 224!


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Protokoll A1 – Transkription

A1-F

Vermischen sich die verschiedenen Salzgehalte nicht?

A1-H

Hypothese (1): Wenn das Wasser mit dem höheren Salzgehalt sich unten befindet und das

Wasser mit dem geringeren Salzgehalt sich oben befindet, dann vermischt sich das Wasser

nicht.

Gegenhypothese (0) Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Vermischung.

Hypothese ist bestätigt, Gegenhypothese ist widerlegt

A1-P

abhängige Variable: Schichten

unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g)

Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert

Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten

Lösungen ohne Beschriftung, Benennung des Kontrollansatzes

A1-A

Beobachtung: Der Kontrollansatz hat sich nicht vermischt. 10 g oben und 50 g unten haben sich vermischt. 0 g oben und 10 g unten haben sich nicht vermischt.

Erklärung: Die verschiedenen Salzgehälter haben sich nicht vermischt, weil wenn das untere Wasser schwerer ist als das obere Wasser es sich nicht vermischt.

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! 225!


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Protokoll A2 (Schülerprotokoll) !

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! 226!


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Protokoll A2 – Transkription

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! 227!


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A2-F

Vermischen sich die unterschiedlichen, salzhaltigen Schichten in der Ostsee nicht?

A2-H

Hypothese (1): Wenn in den unteren mehr und in den oberen Schichten weniger Salz

vorhanden ist, dann vermischt sich das Wasser nicht.

Gegenhypothese (0): Die Lage und der Salzgehalt haben keinen Einfluss auf die

unterschiedlichen Schichten.

[keine Hypothesenrevision]

A2-P

abhängige Variable: Schichten

unabhängige Variablen: Salzmenge (g) - in Tabelle fehlerhafte Variation, in Skizze korrekte

Variation

Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert

Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten

Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

A2-A

Beobachtung: Die Salzwasserschichten bei den Versuchsgefäßen mischen sich nicht. Bei dem Kontrollansatz mischen sie sich jedoch.

Erklärung: Der Kontrollansatz mischt sich, weil das blau gefärbte Salzwasser [50 g Salz] nach unten sinkt, weil es schwerer ist. Dadurch mischt es sich mit dem gelb gefärbten Salzwasser [0 g], weil dieses leichter ist.

Interpretation: Die Ostsee ist je nach Stelle höher oder tiefer. Je tiefer es ist, desto salzhaltiger ist das Wasser. Im Finnischen Meerbusen ist es flach, deshalb ist der Salzgehalt dort geringer. Außer der Landfläche im Meer ist es tiefer und deshalb salzhaltiger. Die Wasserschichten mischen sich nicht, weil das "schwerere" Salzwasser unten liegt und nicht steigt.

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! 228!


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Anhang IV: Codieranleitung

Fragestellung Hypothesen Planung Auswertung

I • keine Formulierung der Fragestellung (F_1)5

• Hypothesen beziehen sich auf die Fragestellung • multiple Hypothesen werden formuliert (H1 und H0) • erfolgreiche Hypothesenrevision (H_1)

• Variablenveränderung ohne erkennbares System • Vorgehen entspricht intuitivem Vorgehen (no plan) (P_1)

• Beobachtung wird beschrieben • Hypothesen werden nicht verifiziert bzw. falsifiziert • kein Bezug auf Hypothesen • keine Erklärung der Ursachen (A_1)

II • Frage steht nicht mit Phänomen oder Problem im Zusammenhang • Frage ist nicht überprüfbar (F_2)

• Hypothesen werden formuliert • Hypothesen beziehen sich nicht auf die Fragestellung • Es werden nicht alle Hypothesen formuliert • Hypothesen beziehen sich nicht logisch aufeinander (H_2)

• Variablen werden identifiziert • fehlerhafte Variation der Variablen • fehlende Kontrollvariablen (P_2)

• Beobachtung wird beschrieben • Daten werden auf Hypothesen bezogen • Wechsel bzw. Beibehaltung der Hypothesen, obwohl die Datenlage es nicht zulässt • Widersprüche treten beim Erklären der Ergebnisse auf • unlogische Rückschlüsse werden gezogen (A_2)

III • Frage steht im Zusammenhang mit dem Phänomen oder Problem • Frage ist nicht überprüfbar (F_3)

• Hypothesen beziehen sich auf die Fragestellung • multiple Hypothesen werden formuliert (H1 und H0) • Hypothesen werden nicht revidiert (H_3)

• abhängige und unabhängige Variablen werden adäquat differenziert • Variation der unabhängigen Variable erfolgt • Kontrollvariablen werden konstant gehalten • Kontrollansatz fehlt (P_3)

• logische Erklärung der Daten • Schwierigkeiten beim Umgang mit Anomalien (Fehlinterpretationen, Widersprüche bei Daten, die den Erwartungen widersprechen) • methodisches Vorgehen wird nicht reflektiert oder Ergebnisse nicht oder ungenau auf Problem rückbezogen (interpretiert) (A_3)

IV • Frage wird adäquat formuliert • Frage steht im Zusammenhang mit dem Phänomen oder Problem • Frage ist überprüfbar (F_4)

• Hypothesen beziehen sich auf die Fragestellung • multiple Hypothesen werden formuliert (H1 und H0) • erfolgreiche Hypothesenrevision (H_4)

• abhängige und unabhängige Variablen werden adäquat differenziert • Variation der unabhängigen Variable erfolgt • Kontrollvariablen werden konstant gehalten • Kontrollansatz vorhanden (P_4)

• Beobachtung wird genau beschrieben • Ergebnisse werden auf Problem rückbezogen und fachlich korrekt entsprechend dem Raumbeispiel interpretiert • Analyse gelingt auch bei Anomalien (z.B. Messfehlern) (A_4)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!5!Die!Klammer!zeigt!den!jeweiligen!Code!an.!Die!Zuordnung!eines!Codes!erfolgt,!um!die!Kompetenzeinstufung!

zu!bestimmen.!!

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! 229!

!11 Anhang • V Codierung der Protokollausschnitte (Evaluationsstudie)

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Anhang V: Codierung der Protokollausschnitte

1 Teilkompetenz Fragestellung formulieren

Fragestellung formulieren Stufe 4 (Code F_4) A1-F Vermischen sich die verschiedenen Salzgehalte nicht? A2-F Vermischen sich die unterschiedlichen, salzhaltigen Schichten in der Ostsee nicht? A4-F Vermischt sich der Salzgehalt in der Ostsee nicht A5-F Vermischt sich Wasser in der Ostsee mit unterschiedlichem Salzgehalt nicht? B6-F Vermischt sich Süßwasser mit Salzwasser? B7-F Vermischt sich das Wasser mit niedrigem Salzgehalt mit Wasser mit hohem Salzgehalt?

B8-F Kann sich das Wasser mit verschiedenen Salzgehalten nicht vermischen? B9-F Kann sich Wasser mit keinem oder mit wenig Salz mit Wasser mit hohem Salzgehalt vermischen? B10-F Vermischt sich Süßwasser und Salzwasser mit viel Salz? B11-F Weshalb vermischen sich das Salz- und das Süßwasser der Ostsee nicht? B12-F Vermischt sich Salzwasser mit Süßwasser? C13-F Vermischt sich das Süß- und Salzwasser nicht? C14-F Ist Salzwasser schwerer als Süßwasser? C15-F Vermischt sich das Salz- und Süßwasser nicht? C16-F Vermischen sich Salz- und Süßwasser nicht? C17-F Das Salzwasser vermischt sich nicht mit Süßwasser? C18-F Vermischt sich das Salzwasser mit dem Süßwasser nicht? D19-F Vermischt sich das Salzwasser nicht mit dem Süßwasser? D20-F Vermischen sich die besonders hohen Salzgehalte und der sehr niedrige Salzgehalt? D21-F Mischen Süßwasser und Salzwasser sich nicht? D22-F Wie kann das sein, dass in einem Meer an verschiedenen Stellen unterschiedlich viel Salzgehalt ist? D23-F Vermischt sich das Salzwasser nicht mit dem Süßwasser?

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! 230!


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D24-F Vermischt sich das Salzwasser mit dem Süßwasser nicht? D25-F Wie kann die Ostsee verschiedene Salzgehalte haben, ohne dass sie sich vermischen?

E26-F Vermischt sich Süßwasser mit Salzwasser? E27-F Vermischen sich Süß- und Salzwasser nicht? E28-F Vermischen sich Wasser mit und ohne Salz? E30-F Kann Salzwasser sich mit Süßwasser vermischen?

Fragestellung formulieren Stufe 3 (Code F_3) Memo A3-F Vermischen sich die unterschiedlichen Bereiche mit Salzgehalt der Ostsee nicht?

Obwohl die Fragestellung mit dem Phänomen in Beziehung steht, ist sie nicht präzise und adäquat formuliert.

E29-F Hat das Süßwasser Einfluss auf das Salzwasser?

Eine Überprüfung im Experiment ist nicht möglich. Die Frage ist zu offen.

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! 231!


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2 Teilkompetenz Hypothesen generieren

Hypothesen generieren Stufe 4 (Code H_4) Memo A1-H Hypothese (1): Wenn das Wasser mit dem höheren Salzgehalt sich unten befindet und das Wasser mit dem geringeren Salzgehalt sich oben befindet, dann vermischt sich das Wasser nicht. Gegenhypothese (0) Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Vermischung. Hypothese ist bestätigt, Gegenhypothese ist widerlegt

A3-H Hypothese (1): Wenn in den unteren Schichten viel Salzgehalt im Wasser ist und in den oberen wenig, dann vermischt sich der Salzgehalt nicht! Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Vermischung des Wassers! Hypothese (1) kann bestätigt werden, Gegenhypothese (0) kann widerlegt werden.

A5-H Hypothese (1): Wenn in unteren Schichten Salzwasser und in den oberen Schichten Süßwasser ist, vermischen sie sich nicht. Gegenhypothese (0): Die Lage und die Salzmenge haben keinen Einfluss auf die Schichten Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

B6-H Hypothese (1): Süßwasser vermischt sich nicht mit Salzwasser. Gegenhypothese (0): Süßwasser vermischt sich mit Salzwasser. Hypothese (1) bestätigt sich; Gegenhypothese (0) widerlegt sich

Der Hypothese fehlt die Begründung. Die Hypothese (1) kann theoretisch durch die Ergebnisse widerlegt werden. Dennoch sind alle Bedingungen der Stufe 4 erfüllt.

B7-H Hypothese (1): Wasser mit einem hohen Salzgehalt vermischt sich nicht mit Wasser mit einem niedrigen Salzgehalt. Gegenhypothese (0): Wasser mit niedrigem Salzgehalt vermischt sich mit Wasser mit hohem Salzgehalt. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt


B8-H Hypothese (1): Das Wasser mit verschiedenen Salzgehalten vermischt sich nicht. Gegenhypothese (0): Das Wasser mit verschiedenen Salzgehalten vermischt sich. Hypothese (1) kann bestätigt werden, Gegenhypothese (0) kann widerlegt werden.


B9-H Hypothese (1): Wasser mit keinem oder wenig Salz kann sich mit Wasser mit hohem Salzgehalt vermischen. Gegenhypothese (0): Wasser mit keinem oder wenig Salz kann sich nicht mit Wasser mit hohem Salzgehalt vermischen. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt


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! 232!


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B10-H Hypothesen (1): Wenn viel Salzwasser und kein Salzwasser drinnen ist vermischt sich dies nicht. Gegenhypothese (0): Das Salzwasser mit besonders hohem Salzgehalt vermischt sich mit Salzwasser ohne Salzgehalt. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

B12-H Hypothese (1): Salzwasser vermischt sich nicht mit Süßwasser. Gegenhypothese (0): Salzwasser vermischt sich mit Süßwasser. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt


C13-H Hypothese (1): Wenn in den unteren Schichten Süß- und in den oberen Salzwasser ist, dann vermischt es sich nicht. Gegenhypothese (0): Die Lage und der Salzgehalt haben keinen Einfluss! Hypothese (1): wird widerlegt

C15-H Hypothese (1): Je mehr Salzunterschiede im Wasser sind, desto weniger vermischt sich das Wasser. Gegenhypothese (0): Die Salzunterschiede haben keinen Einfluss auf das Vermischen des Wassers. Hypothese kann bestätig werden; Gegenhypothese kann widerlegt werden


C18-H Hypothese (1): Wenn das Salzwasser unten und das Süßwasser oben ist, vermischt sich das Wasser nicht. Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt im Wasser hat keinen Einfluss auf die Schichtung des Wassers. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

D20-H Hypothese (1): Wenn das Wasser mit dem niedrigen Salzgehalt unten ist und das mit dem hohen oben, dann vermischen sie sich nicht. Gegenhypothese (0): Wenn das Wasser mit dem niedrigen Salzgehalt unten ist und das mit dem hohen oben, dann vermischen sie sich. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

D21-H Hypothese (1): Je mehr Salzwasser desto schlechter vermischt sich das Wasser mit dem Süßwasser. Gegenhypothese (0): Das Salzwasser hat keinen Einfluss auf die Mischfähigkeit des Süßwassers. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

D22-H Hypothese (1): Je tiefer das Meer, desto mehr Salz ist im Wasser enthalten und das Süß- und Salzwasser vermischt sich nicht- Gegenhypothese (0): Die Tiefe des Wassers und das Vermischen von Süß- und Salzwasser haben keinen Einfluss auf den Salzgehalt. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

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! 233!


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D23H Hypothese (1): Je mehr Salzgehalt im Wasser, desto schlechter vermischt es sich, weil das Salzwasser schwerer ist als das Süßwasser. Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt des Wassers hat keinen Einfluss auf die Vermischung des Wassers. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

D24-H Hypothese (1): Salzwasser ist schwerer als Süßwasser deswegen vermischen sie sich nicht. Gegenhypothese (0): Das Gewicht hat damit nichts zu tun. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt

D25-H Hypothese (1): Je mehr Salz im Wasser ist, desto schlechter vermischt es sich. Gegenhypothese (0): Die Menge des Salzes hat keinen Einfluss darüber, ob das Wasser sich vermischt. Hypothese (1): bestätigt; Gegenhypothese (0): widerlegt


E26-H Hypothese (1): Die Salzmenge hat keinen Einfluss auf das Vermischen. Gegenhypothese (0): Die Salzmenge hat Einfluss auf das Vermischen. Hypothese (1): ist nicht bestätigt, Gegenhypothese (0): ist bestätigt

E28-H Hypothese (1): Das Wasser mit Salz vermischt sich mit dem ohne. Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt hat keinen Einfluss, dass es sich vermischt. Hypothese (1) kann bestätigt werden, Gegenhypothese (0) kann widerlegt werden.

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! 234!


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Hypothesen generieren Stufe 3 (Code H_3) Memo A2-H Hypothese (1): Wenn in den unteren mehr und in den oberen Schichten weniger Salz vorhanden ist, dann vermischt sich das Wasser nicht. Gegenhypothese (0): Die Lage und der Salzgehalt haben keinen Einfluss auf die unterschiedlichen Schichten. [keine Hypothesenrevision]

Die Hypothesenrevision fehlt.

A4-H Hypothese (1): Je mehr Salzgehalt in der Ostsee ist, desto weniger kann es sich vermischen. Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt hat keinen Einfluss auf die Vermischung. Hypothese (1) wird bestätigt. Gegenhypothese (o) wird widerlegt.

Codierung in Stufe 3, da die Hypothesenrevision den Beobachtungen widerspricht.

B11-H Hypothese (1): Das Salz- und das Süßwasser der Ostsee vermischt sich nicht miteinander, weil das Salzwasser schwerer als Süßwasser ist. Gegenhypothese (0): Das Salz- und das Süßwasser der Ostsee vermischen sich miteinander. [keine Hypothesenrevision]


C14-H Hypothese (1): Salzwasser ist schwerer als Süßwasser. Gegenhypothese (0): Das Salz hat keinen Einfluss auf die schwere des Wassers. [keine Hypothesenrevision]


C16-H Hypothese (1): Je mehr Salz im Wasser ist, desto weniger vermischt sich das Wasser. Gegenhypothese (0): Der Salzgehalt hat keinen Einfluss darauf, dass sich das Wasser nicht vermischt. [keine Hypothesenrevision]

Der Hypothese fehlt die Begründung. Die Hypothese (1) kann daher theoretisch durch die Ergebnisse auch widerlegt werden. Zudem fehlt die Hypothesenrevision.

C17-H Hypothese (1): Wenn das Salzwasser unten und das Süßwasser oben ist, dann vermischt es sich nicht. Gegenhypothese (0): Wenn das Salzwasser unten und das Süßwasser oben ist, dann vermischt es sich. [keine Hypothesenrevision]


E27-H Hypothese (1): Je mehr Salz im Wasser ist desto weniger vermischt es sich. Gegenhypothese (0): Das Süß- und Salzwasser vermischen sich. [keine Hypothesenrevision]


E30-H Hypothese (1): Je mehr Salz, desto weniger vermischt es sich. Gegenhypothese (0): Das Salz hat keinen Einfluss. [keine Hypothesenrevision]


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! 235!


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Hypothese generieren Stufe 2 (Code H_2) Memo D19-H Hypothese (1): Das Salzwasser ist schwerer als das Süßwasser und deshalb vermischt es sich nicht. Gegenhypothese (0): Die Temperatur hat keinen Einfluss auf die Vermischung von Salz- und Süßwasser. [keine Hypothesenrevision]

Es wird die Variable Temperatur aufgeführt. Diese steht nicht im Zusammenhang mit der Fragestellung. Es erfolgt keine Hypothesenrevision.

E29-H Hypothese (1): Das Salzwasser trägt trotz Süßwasser das Ei. Gegenhypothese (0): Das Salzwasser und das Süßwasser haben keinen Einfluss auf das Ei. [keine Hypothesenrevision]

Eine Hypothese wird formuliert, die nicht mit Fragestellung/Phänomen im Zusammenhang steht. Die Hypothesenrevision erfolgt nicht.

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! 236!


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3 Teilkompetenz Planung eines Experiments

Planung eines Experiments Stufe 4 (Code P_4) Memo A1-P abhängige Variable: Schichten unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen und Benennung des Kontrollansatzes

A2-P abhängige Variable: Schichten unabhängige Variablen: Salzmenge (g) - in Tabelle lückenhaft, in Skizze korrekte Variation Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

A3-P abhängige Variable: Schichten + Lagen unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

A4-P abhängige Variable: Schichten unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

Obwohl nur eine Kontrollvariable berücksichtigt wird, erfolgt die Codierung in Stufe 4. Begründet wird die Entscheidung mit der ansonsten vollständigen Planung unter Berücksichtig aller Variablen (wie Kontrollansatz).

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! 237!


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C14-P abhängige Variable: Schichtung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

Der Kontrollansatz wird in den weiteren Ausführungen benannt, daher erfolgt die Codierung in Stufe 4.

C15-P abhängige Variable: Schichten Salz- und Süßwasser unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, ohne Benennung des Kontrollansatzes


C16-P abhängige Variable: Schichtung des Wassers unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine


D23-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Tiefe/Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, keine Benennung des Kontrollansatzes

Der Kontrollansatz wird in der Planung nicht benannt, allerdings in den weiteren Ausführungen. Daher erfolgt die Codierung in Stufe 4.

D24-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (100 ml), Wasserart (Süß, Salz) Skizze: keine

Der Kontrollansatz wird in der Planung nicht benannt, allerdings in den weiteren Ausführungen. Daher erfolgt die Codierung in Stufe 4.

D25-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes

E26-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen ohne Beschriftung, Benennung des Kontrollansatzes

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! 238!


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E27-P abhängige Variable: Schichten unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (400 ml), Wassermenge (200 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen ohne Beschriftung, Benennung des Kontrollansatzes

E30-P abhängige Variable: Schichtung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (30 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] ein Messzylinder farbig angemalt, entsprechend der bereitgestellten Lösungen Salzwasser und Süßwasser mit Beschriftung

Planung eines Experiments Stufe 3 (Code P_3) Memo A5-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: Zwei der drei Aufbauten wurden umgekehrte geplant (oben höherer Salzgehalt als unten). Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung und Benennung des Kontrollansatzes.

Die Planung dient nur bedingt der Überprüfung der Hypothesen. Es wurde vermutet, dass das Salzwasser in den unteren Schichten sein muss. In der Planung wird das Salzwasser jedoch in der oberen Schicht berücksichtig. Der Kontrollansatz wird demnach nicht richtig eingesetzt. Alle weiteren Variablen werden korrekt aufgeführt, daher erfolgt die Codierung in die Stufe 3.

B6-P abhängige Variable: Vermischung von Süß- und Salzwasser unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

Kontrollansatz wird nicht benannt.

B8-P abhängige Variable: Salzunterschied unabhängige Variablen: Zwei der drei Aufbauten wurden umgekehrte geplant (oben höherer Salzgehalt als unten). Kontrollvariablen: keine Angabe Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, keine Benennung des Kontrollansatzes

Kontrollansatz fehlt, fehlerhafter Umgang mit Variablen

B9-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (40 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] vier Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, keine Benennung des Kontrollansatzes

Der Kontrollansatz wird nicht benannt und nur eine Variable wird kontrolliert. Die weitere Planung und Identifikation der Variablen ist gelungen. Daher erfolgt die Codierung die Stufe 3.

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B10-P abhängige Variable: Vermischung von Süß- und Salzwasser unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

Der Kontrollansatz wird nicht benannt.

B11-P abhängige Variable: Vermischung des Wassers mit viel Salz und keinem Salz unabhängige Variablen: Salzgehalts (g) ohne Variation Kontrollvariablen: Wasser (ml) Skizze: keine

Es fehlt die Variation der unabhängigen Variablen sowie die Benennung des Kontrollansatzes. Es wird nur eine Kontrollvariable berücksichtigt.

B12-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: Die Variation des Salzgehalts (g) wird in der Beobachtung deutlich, allerdings ist sie aus der Planungstabelle nicht zu erkennen. Kontrollvariablen: Salzwasser (50 ml); Süßwasser (50 ml) - kontrolliert Skizze: keine

Der Kontrollansatz wird in der Planung nicht benannt, jedoch in der Beobachtung. Variation wird nicht beschrieben, allerdings wird sie durchgeführt, da die Beobachtung auf der Variation beruht.

C13-P abhängige Variable: Die Schichtung des Wassers. unabhängige Variablen: Zwei der drei Aufbauten wurden umgekehrte geplant (oben höherer Salzgehalt als unten). Gefäßgröße (100 ml), Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] drei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, ohne Benennung des Kontrollansatzes


C17-P abhängige Variable: Schichtung des Wassers unabhängige Variablen: Salzgehalt, ohne Variation, jedoch mit Kontrollansatz Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] zwei Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung

Die Variation der unabhängigen Variablen (Salzgehalt des Wassers) fehlt.

C18-P abhängige Variable: Schichtung des Wassers unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Wassermenge (50 ml) kontrolliert

Der Kontrollansatz wird in der Planung nicht benannt jedoch in den weiteren Ausführungen. Die Variation der unabhängigen Variablen fehlt.

D19-P abhängige Variable: Vermischung von Süß- und Salzwasser unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine


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D20-P abhängige Variable: Vermischen des Wassers unabhängige Variablen: Zwei der drei Aufbauten wurden umgekehrt geplant (oben höherer Salzgehalt als unten). Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: [vorhanden] Messzylinder, drei Bechergläser mit den Farben rot, blau, gelb

Die Variation der unabhängigen Variablen ist fehlerhaft. Der Kontrollansatz wird nicht benannt.

D21-P abhängige Variable: Vermischung des Süß- und Salzwassers unabhängige Variablen: Wassermenge - Ansatz (1) unten 10 ml hoher Salzgehalt im Zylinder oben 90 ml Süßwasser; Ansatz (2) unten 50 ml Salzwasser mit hohem Salzgehalt und oben 50 ml Süßwasser; Ansatz (3) unten 90 ml Salzwasser und oben 10 ml Süßwasser Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml) Skizze: keine

Der Kontrollansatz fehlt. Diese Gruppe vermutete die Salzmenge als unabhängige Variable. Das Experiment wird entsprechend der H (1) richtig geplant.

D22-P abhängige Variable: Wassertiefe unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) andere (Fragestellung) Kontrollvariablen: Gefäßgröße (100 ml), Wassermenge (50 ml) kontrolliert Skizze: keine

Entsprechend der Fragestellung richtig geplant. Die Tiefe wird überprüft. Da der Kontrollansatz nicht benannt wird, erfolgt die Codierung in Stufe 3.

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Planung eines Experiments Stufe 2 (Code P_2) Memo B7-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: keine Angabe Skizze: [vorhanden] fünf Messzylinder farbig angemalt, entsprechend den bereitgestellten Lösungen mit Beschriftung, keine Benennung des Kontrollansatzes

Kontrollansatz und Kontrollvariablen werden nicht benannt. Ansatz 2 und 3 sind Kontrollansätze, Variablenumgang bleibt unklar.

E28-P abhängige Variable: Vermischung unabhängige Variablen: korrekte Variation des Salzgehalts (g) Kontrollvariablen: keine Angaben Skizze: keine

In der Tabelle sind die Variablen fehlerhaft geplant. Die Kontrollvariablen sind fehlerhaft und der Kontrollansatz fehlt.

E29-P abhängige Variable: Ei unabhängige Variablen: Süßwasser und Salzwasser Kontrollvariablen: Wassermenge Skizze: [vorhanden] Messbecher mit Angabe der Milliliter ist beschriftet und farbig gestaltet

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4 Teilkompetenz Daten auswerten

Daten auswerten Stufe 4 (Code A_4) Memo A2-A Beobachtung: Die Salzwasserschichten bei den Versuchsgefäßen mischen sich nicht. Bei dem Kontrollansatz mischen sie sich jedoch. Erklärung: Der Kontrollansatz mischt sich, weil das blau gefärbte Salzwasser [50 g Salz] nach unten sinkt, weil es schwerer ist. Dadurch mischt es sich mit dem gelb gefärbten Salzwasser [0 g], weil dieses leichter ist. Interpretation: Die Ostsee ist je nach Stelle höher oder tiefer. Je tiefer es ist, desto salzhaltiger ist das Wasser. Im Finnischen Meerbusen ist es flach, deshalb ist der Salzgehalt dort geringer. Außer der Landfläche im Meer ist es tiefer und deshalb salzhaltiger. Die Wasserschichten mischen sich nicht, weil das "schwerere" Salzwasser unten liegt und nicht steigt.

A3-A Beobachtung: Beim Kontrollansatz hat sich das ganze Wasser vermischt! [unten 0g Salz, oben 50 g Salz im Wasser]. Bei unten 50 g Salzgehalt und oben 10 g Salzgehalt im Wasser hat es sich nicht vermischt. Bei unten 50 g und oben 0 g Salzgehalt im Wasser ist es auch so geblieben. Erklärung: Da das Wasser mit mehr Salzgehalt unten schwimmt, vermischt sich das Wasser nicht. Merke: Umso mehr Salzgehalt im Wasser, desto schwerer wird das Wasser. Deswegen schwimmt das Wasser mit mehr Salzgehalt unten. Antwort: Wasser mit wenig Salz und Wasser mit viel Salzgehalt vermischen sich nicht.

A5-A Beobachtung: Bei 10 g [rot] oben und 0 g [gelb] unten hat es sich zu orange entwickelt. Bei 50 g [blau] oben und 0 g [gelb] unten hat es sich zu grün entwickelt. Bei 10 g [rot] oben und 50 g [blau] unten hat es sich nicht vermischt. Das Wasser hat sich nur bei dem Kontrollansatz vermischt! Erklärung: Beim Kontrollansatz haben sich die Farben nicht vermischt, weil die schwere Menge unten war und die leichtere oben, und bei den anderen haben sich die Farben vermischt, weil die leichtere Menge unten war und die schwerere Menge oben und dann ist die Farbe gesunken und es hat sich vermischt. Weiterführende Fragen: Aus unseren Ergebnissen stellen sich keine neuen Fragen. Interpretation: Die Salzschichten in der Ostsee vermischen sich nicht, weil manche schwerer und manche leichter sind.

An dieser Stelle wurde die fehlerhafte Planung aus Phase 3 als Folgefehler berücksichtigt. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben ihre Beobachtungen genau und erklären diese entsprechend ihren Beobachtungen korrekt.

B8 Beobachtung: (1) unten 0 g Salz / oben 50 g Salz: Das Wasser vermischt sich. (2) unten 50 g Salz / oben 0 g Salz: Das Wasser vermischt sich nicht. (3) unten 0 g Salz / oben 10 g Salz: Das Wasser vermischt sich. (4) unten 10 g Salz / oben 50 g Salz: Das Wasser vermischt sich- Erklärung: Wenn das Wasser mit hohem Salzgehalt unten ist und das Wasser mit weniger Salzgehalt oben ist, vermischt sich das Wasser nicht. Aber wenn das Ganze umgedreht ist, vermischt sich das Wasser. Weiterführende Fragen: Kann sich Wasser mit drei unterschiedlichen Salzgehalten vermischen? Interpretation: Je näher die Ostsee an der Nordsee ist, desto mehr

Auch wenn die Interpretation nicht ganz gelungen ist, so werden die verbleibenden Aspekte der Auswertung korrekt formuliert.

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Salzgehalt ist in der Ostsee.

C14-A Beobachtung: Da wo das Salz im Wasser eingemischt war und als erstes eingefüllt war ist es getrennt geblieben. Erklärung: Das liegt daran, dass das Salz schwerer als Wasser ist. Bei dem Kontrollansatz hat sich das Wasser vermischt. Problemreflexion: Die Gefäße waren nicht immer gleich groß. Man hat nicht immer exakt gemessen Interpretation: Das Salzwasser trifft in mehreren Schichten auf das Süßwasser.

C16-A Beobachtung: (1) oben 0 g Salz; unten 50 g Salz: Es vermischt sich nicht. (2) oben 0 g; unten 10 g: Hier vermischt es sich wieder nicht. (3) oben 50 g; unten 0 g: Es vermischt sich. Erklärung: (1) Es vermischt sich, weil das blaue Wasser (50 g Salz) einen hohen Salzgehalt hat und daher schwerer ist als das rote Wasser (10 g Salz), das weniger Salz hat als das blaue Wasser. (2) Hier vermischt es sich wieder nicht, da das schwerere Wasser, also das rote Wasser, wieder unten ist und das Süßwasser oben. (3) Es vermischt sich, weil wir das Süßwasser diesmal zuerst reingeschüttet haben und dann erst das schwerere Wasser, also das Salzwasser. Interpretation: Der Salzgehalt in der Ostsee ist unterschiedlich hoch, weil von einer Seite das Süßwasser kommt und von der Nordsee das Salzwasser angespült wird. Deswegen vermischen sich Salz- und Süßwasser kaum und deswegen hat die Ostsee verschiedene Salzgehalte.

C18-A Beobachtung: Der Kontrollansatz [oben 50 g Salz und unten Süßwasser] hat sich ganz vermischt. Beim 2. und 3. Glas blieben die Wasserschichten getrennt oder vermischten sich nur ganz wenig. Erklärung: Salzwasser ist schwerer als Süßwasser. Das Leichte ist immer oben, deshalb bleibt leicht oben oder geht nach oben und schweres geht nach unten. Interpretation: Bei der Ostsee ist das Wasser zwar quasi "nebeneinander" aber es vermischt sich trotzdem nicht.

Die Auswertung ist inhaltskurz gehalten entspricht jedoch weitestgehend den Anforderungen. Die Interpretation lässt noch Fragen offen. Weiterführende Fragen wären wünschenswert gewesen.

D23-A Beobachtung: (1) 0 g unten und 10 g oben: Es hat sich vermischt, als wir die 10 g draufgeschüttet haben. (2) 50 g unten und 10 g oben: Es hat sich nicht vermischt, nachdem wir sie zusammengekippt haben. (3) 50 g unten und 0 g oben: es hat sich vermischt. Erklärung: Es hat sich bei 50 g und 10 g nicht vermischt, da das schwere Salzwasser unten war. Beim Kontrollansatz mit 0 g hat es sich vermischt, da das leichtere Süßwasser unten und das schwerere Salzwasser oben war. Problemreflexion: Bei dem Versuch mit 50 g unten und 0 g oben hat es sich vermischt, obwohl das schwerere Salzwasser unten war. Weiterführende Fragen: Was passiert, wenn man das Wasser vorher erhitzt oder wenn man es mit anderen Flüssigkeiten macht? Interpretation: Bei der Ostsee ist, näher am Land, ein niedriger Salzgehalt, da das Salzwasser unten und das Süßwasser oben ist – wegen den Flüssen. Im Westen vermischt es sich schlechter.

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D24-A Beobachtung: Der Kontrollansatz [unten 0 g Salz und oben 50 g Salz] hat bestätigt, dass das Salzwasser schwerer als das Süßwasser ist, deswegen vermischt sich das Salzwasser mit dem Süßwasser, wenn das Salzwasser oben ist. Erklärung: s. Beobachtung Weiterführende Fragen: Was passiert, wenn mehr Salzwasser als Süßwasser vorhanden ist? Was wäre passiert, wenn Salz- und Süßwasser warm sind? Interpretation: Bei der Ostsee ist an der Küste weniger Salzgehalt, weil die ganzen Süßwasserflüsse ins Meer fließen. Weiter draußen ist mehr Salzgehalt, weil Ozeanwasser ins Meer fließt. Im Experiment haben wir herausgefunden, dass Salz- und Süßwasser sich nicht immer vermischen.

Beobachtung und Erklärung wurden nicht getrennt. Dennoch werden die Ergebnisse deutlich. Daher Codierung in Stufe 4 bei ansonsten richtigen Ausführungen.

D25-A Beobachtung: Bei 0 g [unten] und 50 g [oben] war alles in der gleichen Farbe, unten war es etwas heller als oben. Bei 50 g [unten] und 0 g [oben] vermischt es sich nur zwischen 40 ml und 50 ml [im Messzylinder]. Bei 10 g [oben] und 50 g [unten] vermischt es sich nur bei 30 ml und 40 ml [im Messzylinder]. Erklärung: Wir haben erst 50 g auf 0g Salz im Wasser geschüttet. Dann haben wir 0 g auf 50 g Salz im Wasser geschüttet und zuletzt haben wir 10 g auf 50 g geschüttet. Das Salzwasser ist schwerer. Weiterführende Fragen: Was würde passieren, wenn man andere [verschiedene] Salzsorten zusammenschüttet? Was passiert, wenn man mehr als zwei Schichten Salzwasser [verschiedene Mengen] zusammenschüttet? Interpretation: Da Salzwasser schwerer ist als Süßwasser, vermischt es sich in der Ostsee nicht.

Die Interpretation ist zu offen. Die Frage wird nur oberflächlich beantwortet. Die weitere Auswertung ist gelungen, daher erfolgt die Codierung in Stufe 4.

Daten auswerten Stufe 3 (Code A_3) Memo A1-A Beobachtung: Der Kontrollansatz hat sich nicht vermischt. 10 g oben und 50 g unten haben sich vermischt. 0 g oben und 10 g unten haben sich nicht vermischt. Erklärung: Die verschiedenen Salzgehälter haben sich nicht vermischt, weil wenn das untere Wasser schwerer ist als das obere Wasser es sich nicht vermischt.

Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee fehlt. Daher erfolgt die Codierung in die Stufe 3.

A4-A Beobachtung: Der Kontrollansatz [oben 50 g Salz und unten 10 g Salz] vermischt sich. Der 2. Versuch [oben 10 g Salz und unten 50 g Salz], da sieht man, dass es sich vermischt. Beim 3. Versuch [oben 0 g Salz und unten 50 g Salz] hat es sich alles deutlich vermischt. Der Kontrollansatz vermischt sich sichtbar. Beim 2. Versuch vermischt es sich deutlich. Der 3. Versuch: da hat sich alles vermischt. Erklärung: Das Salz vermischt sich nicht, weil es schwerer ist. Das mit dem höheren Gehalt ist schwerer und schwimmt deswegen nach unten. Bei dem Kontrollansatz vermischt sich alles, weil nur 50 g darin sind.

Die Erklärung widerspricht den Beobachtungen. Es treten unerwartete Ergebnisse auf, die von den Schülerinnen und Schülern nicht beachtet werden. Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee fehlt.

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B9 Beobachtung: Wenn Wasser mit wenig oder keinem Salz zuerst eingeschüttet wird, vermischt sich das Wasser. Wenn Wasser mit viel Salz zuerst eingeschüttet wird, vermischt sich das Wasser nicht. Erklärung: Viel Salz zuerst [unten]: Das dichtere Wasser [mit Salz] sinkt nach unten und das nicht so dichte [kein Salz] steigt nach oben. Wenn wenig Salzgehalt im Wasser oder Süßwasser unten ist, hat sich das Wasser vermischt und somit den gleichen Salzgehalt also verteilt es sich gleichmäßig. Das Salzwasser vermischt sich und so bleibt der Salzgehalt des Wassers gleich. Problemreflexion: Bei der Durchführung gab es keine Probleme. Weiterführende Fragen: Uns stellen sich keine Fragen aus dem Ergebnis des Experiments.

Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee fehlt. Daher erfolgt die Codierung in die Stufe 3.

B10-A Beobachtung: Wenn unten Wasser mit viel Salz und oben Wasser mit geringem Salzgehalt ist bilden sich Schichten. Je mehr Salz, desto deutlicher wird die Schicht. Erklärung: Wasser mit weniger Salzgehalt ist leichter als Wasser mit viel Salzgehalt. Problemreflexion: Wir haben noch geschrieben, da hat Martin angefangen. Wir durften nicht bei der Vermischung von Martin mitmachen.

Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee wird nicht aufgeführt. Beobachtung und Erklärung sind gelungen.

B11-A Beobachtung: Wasser mit Salz vermischt sich nicht mit dem Süßwasser, aber Wasser mit Salzgehalt vermischt sich mit Salzwasser. Erklärung: Salzwasser ist schwerer als Süßwasser und das Salzwasser setzt sich auf dem Boden ab. Weiterführende Fragen: Würde sich Wasser mit sehr hohem Salzgehalt auch mit Wasser mit sehr wenig Salzgehalt mischen? Interpretation: Weil das Süßwasser der Ostsee nur von einer Seite kommt blockiert das Salzwasser den Weg nach draußen. Also sammelt sich das Süßwasser der Ostsee im hinteren Gebiet der Ostsee.

Die Beobachtung ist sehr ungenau. Aus der Beobachtung können die Rückschlüsse der Erklärung kaum resultieren.

Die weiterführende Frage ist unlogisch. Allerdings sind die Erklärung und die Interpretation gelungen. Daher erfolgt die Codierung in die Stufe 3.

B12-A Beobachtung: Viel Salzgehalt im Wasser unten mit wenig Salz oben hat sich wenig vermischt, denn unten ist es noch blau und oben ist es vermischt. Süßwasser oben und Salzwasser unten hat sich wenig vermischt. Kontrollansatz: unten gelb [0 g Salz] und oben blau [50 g Salz] hat sich vermischt. Anders herum aber nicht. Erklärung: Süßwasser und Salzwasser vermischen sich nicht weil Salzwasser schwerer als Süßwasser ist. (Dazu wurde Skizze mit Farbverlauf erstellt.) Problemreflexion: Wir haben gut miteinander gearbeitet. Weiterführende Fragen: Vermischt sich Süßwasser mit Salzwasser wenn Salzwasser weniger Gramm (Salz) enthält?

Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee wird nicht aufgeführt. Beobachtung und Erklärung sind gelungen.

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C15-A Beobachtung: Beim ersten, also oben viel Salz im Wasser und unten kein Salz im Wasser vermischt sich das Wasser. Beim zweiten, also oben kein Salz im Wasser und unten viel Salz im Wasser vermischt sich das Wasser nicht. Beim dritten, also oben mittelviel Salz im Wasser und unten kein Salz im Wasser, vermischt sich das Wasser nicht. Erklärung: Beim ersten Aufbau vermischt es sich, weil das blaue Wasser (Wasser mit viel Salzgehalt) schwerer ist als das gelbe (Wasser ohne Salz). Beim zweiten Aufbau vermischt es sich nicht, da das schwere Wasser, also (Wasser mit viel Salzgehalt) als erstes reingeschüttet wurde und das leichte, also (Wasser ohne Salz) als letztes. Beim dritten vermischt es sich wie beim ersten, weil das (Wasser mit mittlerem Salzgehalt) schwerer ist als das (Wasser ohne Salz).

Widersprüche treten bei der Erklärung auf. Das dritte Ergebnis widerspricht den Beobachtungen, Schwierigkeiten beim Umgang mit Anomalien. Die Übertragung auf das Raumbeispiel Ostsee fehlt.

C17-A Beobachtung: Wir haben es aufeinander geschüttet und bei dem 1. [oben Süßwasser, unten Salzwasser mit 50 g Salz] vermischt es sich nicht. Aber bei dem 2. [oben Salzwasser 50 g Salz, unten Süßwasser] vermischt es sich. Erklärung: Das Salzwasser ist schwerer als das Süßwasser

Die Interpretation sowie die Reflexion der Methode (Problemreflexion) fehlt.

D19-A Beobachtung: Schüttet man Salzwasser in ein Gefäß, wo der niedrigere Salzgehalt unten und der höhere oben ist, so vermischt es sich. Ist aber der niedrigerer Salzgehalt oben und der höhere unten, so vermischt es sich nicht und es bilden sich Farbschichten. Trifft sich das Salzwasser mit dem Süßwasser unten, vermischt es sich und man sieht keinen Unterschied. Weiterführende Fragen: Was passiert, wenn man Süßwasser und Süßwasser mit unterschiedlichem Zuckergehalt zusammenschüttet?

Beobachtung wird beschrieben. Die Beobachtungen beziehen sich auf die Hypothese (1). Es erfolgt keine Erklärung oder Interpretation.

D20-A Beobachtung: (1) unten 0 g Salz / oben 20 g Salz: Das Wasser vermischt sich. (2) unten 50 g Salz / oben 0 g Salz: Das Wasser vermischt sich. (3) unten 0 g Salz / oben 50 g Salz: Das Wasser vermischt sich. Wenn das Wasser mit dem niedrigen Salzgehalt unten ist, dann vermischt es sich denn umso mehr Salz drinnen ist desto leichter wird das Wasser. Wenn man das Wasser mit dem hohen Salzgehalt nach unten schüttet und das Wasser mit dem niedrigen nach oben, dann vermischt es sich nicht. Wenn man das Wasser mit dem hohen Salzgehalt nach oben schüttet und das Wasser mit dem niedrigen nach unten, dann vermischt es sich. Erklärung: Weil das Wasser mit dem hohen Salzgehalt schwerer ist, als das mit dem niedrigen.

Die Erklärung widerspricht den Beobachtungen. Die (korrekte) Erklärung kann aus den Beobachtungen nicht resultieren. Die Interpretation fehlt.

D22-A Beobachtung: Ansatz (1) unten 50 g oben 10 g - es vermischt sich nicht, 50 g geht bis zu 50 ml. Ansatz (2) unten 50 g oben 0 g - es vermischt sich nicht, 50 g geht bis 20 ml. Ansatz (3) unten 0 g oben 50 g - Wasser hat sich vermischt Erklärung: Wahrscheinlich ist das Wasser wo mehr Salz enthalten ist schwerer als das Wasser wo wenig oder gar kein Salz enthalten ist. Weiterführende Fragen: Passiert das gleiche mit kaltem oder warmem Wasser?

Die Erklärung bezieht sich zwar auf die Hypothesen, allerdings wird der Faktor Tiefe nicht wieder aufgegriffen.

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Daten auswerten Stufe 2 (Code A_2) Memo B6-A Beobachtung: (1) 50 g [blau] unten + 0 g [gelb] oben = 20 ml blau und 80 ml grün [vom Messzylinder abgelesen]; (2) 10 g [rot] unten + 0 g [gelb] oben = 15 ml rot unten und 85 ml orange oben; (3) 0 g [gelb] unten + 50 g [blau] oben = 100 ml grün Erklärung: Süßwasser ist leichter als Salzwasser, daher vermischen sie sich nicht miteinander.

Weiterführende Fragen und Interpretation fehlen.

C13-A Erklärung: Das Salzwasser ist schwerer.

Die Erklärung wird ohne die ausformulierte Beobachtung beschrieben. Die Erklärung ist jedoch korrekt und ermöglicht die richtige Hypothesenrevision. Diese ist hier ein Sonderfall, da die Gruppe eine andere Ausgangsvermutung hatte, d. h. Salzwasser ist leichter als Süßwasser. Diese Vermutung wird im Experiment widerlegt. Die Schülerinnen und Schüler gehen damit richtig um. Dennoch fehlen Beobachtung, Reflexion und Interpretation.

D21-A Beobachtung: Ansatz (1) 10 ml Salzwasser und 90 ml Süßwasser mischt sich sofort; Ansatz (2) 50 ml Salzwasser und 50 ml Süßwasser mischt sich nicht gut; Ansatz (3) 90 ml Salzwasser mit 10 ml Süßwasser mischt sich nicht. Erklärung: Wenn man 10 ml starkes Salzwasser mit 90 ml Süßwasser mischt, mischt sich es stärker. 50 ml starkes Salzwasser mit 50 ml Süßwasser mischt sich nicht so gut. 90 ml starkes Salzwasser und 10 ml Süßwasser mischt sich nicht. Je mehr Salzwasser ist, desto schlechter mischt es sich.


E30-A Beobachtung: (1) 10 g Salz [oben] 0 g Salz unten: Es vermischt sich. (2) 50 g Salz [unten] 0 g Salz [oben]: Es vermischt sich nicht. (3) 0 g Salz oben und unten: Das Wasser bleibt normal. Problemreflexion: Mehr Wasser nehmen. Weiterführende Fragen: Was passiert, wenn wir mehr Wasser nehmen?


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Daten auswerten Stufe 1 (Code A_1) Memo B7-A Beobachtung: (1) 50 g [blau] unten + 10 g [rot] oben = Es bilden sich Schichten. (2) 0 g [gelb] unten + 10 g [rot] oben = Es vermischt sich. (3) 0 g [gelb] unten + 50 g (blau) oben = Es vermischt sich. (4) 50 g [blau] unten + 0 g [gelb] oben = bildet Schichten

Die Beobachtung wird korrekt formuliert, allerdings werden keine weiteren Auswertungen vorgenommen (Ergebnisse, Interpretation usw.).

E26-A Beobachtung: Das Glas mit 0 Gramm Salz [oben] und 50 g Salz hat sich vermischt und das Glas mit 10 g [oben] + 50 g hat sich auch vermischt. Das Glas mit 0 g [oben] + 10 g Salz hat sich nicht vermischt. Erklärung: Wir wissen nicht warum.

Erklärung und Interpretation fehlen.

E27-A Beobachtung: Je mehr Salz im Wasser ist, desto mehr trennt es sich.

Erklärung, Interpretation und genaue Beobachtung fehlen.

E28 Beobachtung: Das Wasser mit 50 g Salz unten vermischt sich nicht mit dem 0 g Salzwasser und man kann sehen, dass die Farben sich nicht vermischen.


E29-A Beobachtung: Wir haben das Ei rein gelegt und es ist untergetaucht, aber es ist wieder gekommen und ist auf der Wasseroberfläche geblieben.


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! 249!

!12 Versicherung

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12 Versicherung

„Ich erkläre: Ich habe die vorgelegte Dissertation selbstständig und ohne unerlaubte fremde

Hilfe und nur mit den Hilfen angefertigt, die ich in der Dissertation angegeben habe.

Alle Textstellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten Schriften entnommen sind,

und alle Angaben, die auf mündlichen Auskünften beruhen, sind als solche kenntlich

gemacht.

Bei den von mir durchgeführten und in der Dissertation erwähnten Untersuchungen habe ich

die Grundsätze guter wissenschaftlicher Praxis, wie sie in der „Satzung der Justus-Liebig-

Universität Gießen zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis“ niedergelegt sind,

eingehalten.“

_________________________________________ (Carina Peter) Gießen, den 12.11.2013

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! 250!

!13 Danksagung

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Ich möchte allen danken, die mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstützt haben!

Mein besonderer Dank gilt meinem Doktervater Prof. Dr. Dr. Johann-Bernhard Haversath für

die langjährige Unterstützung und die zahlreichen anregenden Gespräche.

Weiterhin möchte ich den Mitgliedern und Angestellten des Geographieinstituts der Justus-

Liebig Universität danken und dabei insbesondere Herrn Prof. Dr. Andreas Dittmann. Im

Bereich Didaktik danke ich Frau Dr. habil. Stefanie Zecha, Herrn Sascha Haffer, Herrn

Thomas Schiller und Frau Petra Heid-Emmerich für die Unterstützung. Frau Dr. habil.

Stefanie Zecha und Herrn Prof. Dr. Andreas Dittmann danke ich zudem für ihre Tätigkeiten

als Prüfer am Tag der Disputation. Auch möchte ich meinem Prüfer Herrn Prof. Dr. Hans-

Peter Ziemek aus der Biologiedidaktik danken.

Herrn Prof. Dr. Karl-Heinz Otto und Herrn Prof. Dr. Leif O. Mönter danke ich für die

fachkompetente Beratung.

Bei Frau Prof. Dr. Sandra Hof bedanke ich mich besonders herzlich für ihren gesamten

Beistand, die ermutigenden Gespräche sowie die vielen kompetenten und konstruktiven

Hinweise.

Eine Interventionsstudie ist ohne Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte nicht möglich. Mein

Dank gilt allen beteiligten Lernenden und Lehrkräften. Besonders möchte ich den

Schulleiterinnen Frau Evelin Hedrich und Manuela Gros danken, die mich viele Jahre

unterstützt und dadurch einen großen Beitrag zu meiner Forschungsarbeit geleistet haben.

Herrn Florian Drechsler, Frau Michaela Franz, Frau Denise Kuczera, Frau Julia Bormann

und Frau Monique Gonder möchte ich stellvertretend für alle Freunde und Kollegen danken.

Sie haben mich während der Konzeption und Datenerhebung maßgeblich unterstützt,

herzlichen Dank dafür.

Meiner Familie, insbesondere meinem Vater Michael Peter und meiner Mutter Marita Peter,

gilt der größte Dank. Holger danke ich für seine unendliche Geduld in den letzten Jahren. Ihr

habt mir diesen Weg ermöglicht. Danke.

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Problemlösendes Lernen und Experimentieren in der ...geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/10703/pdf/PeterCarina_2014... · Carina Peter 2013. Dissertation zur Erlangung des Grades